{Đồ án} nghiên cứu kỹ thuật truyền hình cáp

{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc,{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc,{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc{Đồ Án} Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Hình Cáp.doc

lời nói đầu

Hòa chung với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ thôngtin, Truyền hình Việt Nam đã đóng góp rất nhiều trong việc đa thông tin, tintức, tuyên truyền đờng lối của Đảng, pháp luật của Nhà Nớc tới mọi ngời dântrên mọi miền đất nớc Đặc biệt Đài Truyền Hình Việt Nam luôn đổi mới, ứngdụng công nghệ kỹ thuật hiện đại trong việc truyền dẫn tín hiệu, nhằm nângcao chất lợng hình ảnh, âm thanh tới phục vụ ngời xem truyền hình Vì vậy đểthoả mãn nhu cầu của ngời dân thì ngoài các kênh truyền hình quảng bá ĐàiTruyền Hình Việt Nam hiện đang phát triển mạng truyền hình cáp hữu tuyếnvới nội dung phong phú và chất lợng ngày càng cao Để khai thác có hiệu quảcông nghệ kỹ thuật mới, đòi hỏi các kỹ thuật viên trong ngành truyền hìnhphải có sự nắm bắt, hiểu biết sâu về cơ chế hoạt động và các giải pháp côngnghệ kỹ thuật trong việc gia công xử lý và truyền dẫn tín hiệu truyền hình.Sau những năm học tập ở Học Viện, qua 8 tuần thực tập và việc thamkhảo một số tài liệu, đặc biệt có sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy giáo h-ớng dẫn , cho đến nay em đã nắm bắt đợc một số vấn đề cơ bản trong kỹ thuậttruyền hình với nội dung:

“Nghiên cứu kỹ thuật truyền hình cáp”.

Song vì thời gian có hạn nên nội dung trình bầy trong đồ án còn hạn chế

Em rất mong có đợc sự thông cảm và sự chỉ bảo tận tình của thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Chơng 1 Tổng quan về mạng truyền hình cáp hữu tuyến1.1 Truyền hình và lịch sử phát triển của hệ thống Truyền hình

Truyền hình là một hệ thống viễn thông trong đó các ảnh nhất thời củacác đối tợng tĩnh hoặc động đợc truyền đi từ nơi phát đến nơi thu

Thí nghiệm đầu tiên về Truyền hình là các phơng pháp quét cơ học, sau

đó là phơng pháp quét điện tử Truyền hình đen trắng đợc nghiên cứu từ những

1

năm 30 và bắt đầu đợc đa vào thử nghiệm phát sóng Do có nhiều lí do khácnhau về kinh tế và kỹ thuật Truyền hình đen trắng tồn tại ba loại khác nhau:  FCC : Truyền hình đen trắng xuất hiện ở Mỹ.

 CCIR : Truyền hình đen trắng xuất hiện ở Châu Âu

 OIRT : Truyền hình đen trắng xuất hiện ở Liên Xô

Ba hệ này khác nhau chủ yếu về mặt dải tần :

50 đã tạo ra một bớc ngoặt mới trong quá trình phát triển của công nghệtruyền hình Điều khác nhau cơ bản của ba hệ là phơng pháp điều chế tín hiệumầu, tần số sóng mang mầu và phơng thức ghép kênh

Các hệ truyền hình mầu trên đợc phát sóng với nhiều tiêu chuẩn khácnhau: (B, G, D/K, I, M/D)

Cuối thập niên 70 bắt đầu xuất hiện các hệ truyền hình có độ phân dảicao trên 1000 dòng với tỉ lệ khuôn hình 16:9 (thay vì 4:3) Truyền hình tiêuchuẩn đó là các hệ truyền hình có độ phân giải cao HDTV (hỗn hợp vừa tơng

tự vừa số):

HDTV 1125 dòng (Nhật), HDTV 1250 dòng (Châu Âu), HDTV 1050dòng (Mỹ) Các hệ truyền hình HDTV này nhanh chóng đợc chuyển sangHDTV số hoàn toàn

Ngày nay do điều kiện kinh tế các quốc gia khác nhau nên việc ứng dụngtruyền hình của các quốc gia cũng khác nhau, song vấn đề là phát triển côngnghệ kỹ thuật số để dần thay thế kỹ thuật tơng tự bởi nhiều u việt nổi bật nhchất lợng tín hiệu, có thể ghép nhiều kênh thông tin.

Trong mạng truyền hình Việt Nam hiện nay đã sử dụng kỹ thuật số hoàntoàn trong việc truyền tín hiệu truyền hình qua vệ tinh, sử dụng 2 băng tần cơbản: băng C và băng Ku Hệ mầu tiêu chuẩn cho Truyền hình Việt Nam làPAL - D/K (Tiêu chuẩn Châu Âu)

Các trạm phát lại tại mặt đất đa số vẫn đang sử dụng kĩ thuật tơng tự đợcphát trên băng tần VHF và UHF, ở một số thành phố lớn ta đã sử dụng truyềnhình cáp hoặc Truyền hình số mặt đất và đang ngày càng đợc đầu t phát triển

1.2 Tổng quan về Truyền hình cáp

1.2.1 Lịch sử phát triển Truyền hình cáp

Thuật ngữ CATV xuất hiện đầu tiên vào năm 1948 tại Mỹ khi thực hiệnthành công hệ thống Truyền hình cáp hữu tuyến và thuật ngữ CATV đợc hiểu

là hệ thống Truyền hình cáp hữu tuyến (Cable TV)

Một năm sau, cũng tại Mỹ, hệ thống Truyền hình cộng đồng sử dụnganten (Community Antenna Television - CATV) cung cấp dịch vụ cho thuêbao bằng đờng truyền vô tuyến đã đợc lắp thành công Từ đó, thuật ngữCATV đợc dùng để chỉ chung cho các hệ thống Truyền hình cáp vôtuyến và hữu tuyến

Những năm gần đây, do tăng nhu cầu thởng thức các chơng trình truyềnhình chất lợng cao, nội dung phong phú Nhờ sự tiến bộ trong công nghệ, cácmạng Truyền hình cáp đã có những bớc phát triển mạnh mẽ Giờ đây khôngchỉ cung cấp các chơng trình Truyền hình thỏa mãn nhu cầu ngày càng caocủa ngời xem mà chúng còn trở thành một tiềm lực cạnh tranh đáng kể đối vớicác mạng viễn thông khác trong việc cung cấp các dịch vụ viễn thông

Thiết bị thuê bao (Customer System)

 Hệ thống thiết bị trung tâm:

Hệ thống trung tâm (Headend System) là nơi cung cấp, quản lý chơng trình

hệ thống mạng Truyền hình cáp Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tinquan sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điềukhiển

Với các hệ thống mạng hiện đại có khả năng cung cấp các dịch vụ truyền

t-ơng tác, truyền số liệu, hệ thống thiết bị trung tâm còn có thêm các nhiệm vụnh: mã hoá tín hiệu quản lý truy nhập, tính cớc truy nhập, giao tiếp với cácmạng viễn thông nh mạng Internet

 Mạng phân phối tín hiệu Truyền hình cáp :

Mạng phân phối tín hiệu Truyền hình cáp là môi trờng truyền dẫn tín hiệu

từ trung tâm mạng đến các thuê bao Tuỳ theo đặc trng của mỗi hệ thốngTruyền hình cáp, môi trờng truyền dẫn tín hiệu sẽ thay đổi : với hệ thốngTruyền hình cáp nh MMDS môi trờng truyền dẫn tín hiệu sẽ là sóng vô tuyến.Ngợc lại, đối với hệ thống Truyền hình cáp hữu tuyến (Cable TV) môi trờngtruyền dẫn sẽ là các hệ thống cáp hữu tuyến (cáp quang, cáp đồng trục, cáp

đồng xoắn ) Mạng phân phối tín hiệu Truyền hình cáp hữu tuyến có nhiệm

vụ nhận tín hiệu phát ra từ các thiết bị trung tâm, điều chế, khuếch đại vàtruyền vào mạng cáp Các thiết bị khác trong mạng có nhiệm vụ khuếch đại,cấp nguồn và phân phối tín hiệu hình đến tận thiết bị của thuê bao Hệ thốngmạng phân phối tín hiệu Truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến đối tợngdịch vụ, khoảng cách phục vụ, số lợng thuê bao và khả năng mở rộng cungcấp mạng

Hình 1.1 Mạng Truyền hình cáp hữu tuyến.

 Thiết bị tại nhà thuê bao:

Với một mạng Truyền hình cáp sử dụng công nghệ tơng tự, thiết bị tại thuêbao có thể chỉ là một máy thu hình, thu tín hiệu từ mạng phân phối tín hiệu.Với mạng Truyền hình cáp sử dụng công nghệ hiện đại hơn, thiết bị thuê baogồm các bộ chia tín hiệu, các đầu thu tín hiệu Truyền hình (Set-top-box) vàcác cáp dẫn Các thiết bị này có nhiệm vụ thu tín hiệu và đa đến TV để thuêbao sử dụng các dịch vụ của mạng : Chơng trình TV, truy nhập Internet,truyền dữ liệu

Hình 1.3 Công nghệ tích hợp nhiều loại thuê bao khác nhau.

1.2.3 Phân bố dải tần mạng Truyền hình cáp hữu tuyến

Mạng truyền dẫn dẫn Mạng phân phối Mạng truy nhập

node quang

Hình 1.2 Cấu hình mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu.

Một vấn đề hết sức quan trọng khi lên phơng án xây dựng hệ thốngTruyền hình cáp hữu tuyến là việc phân bố dải tần tín hiệu Việc phân bố dảitần cho mạng cáp đơn giản hơn rất nhiều so với một mạng vô tuyến do tín hiệu

đợc truyền trong một môi trờng độc lập Tính độc lập là một u điểm nổi bật

mà một mạng Truyền hình cáp đem lại Yêu cầu đặt ra cho một nhà thiết kế làlàm sao phải sử dụng tối đa phổ tần cho mục đích của mạng

Hầu hết, các hệ thống HFC hiện nay đều phân bố giải tần nh sau: từ 5

-40 MHz dành cho dải tần ngợc (truyền số liệu từ thuê bao đến trung tâm), từ

52 - 750 MHz dành cho dải tần hớng xuống, trong đó : dải tần từ 52 - 550MHz dùng cho các kênh Truyền hình tơng tự, từ 550 - 750 MHz dùng cho cáckênh Truyền hình số và các kênh truyền số liệu hớng xuống (downstreamdata) Vậy dải thông của kênh số và kênh truyền số liệu hớng lên chỉ là 35MHz, trong khi đó dải thông của kênh truyền số liệu hớng xuống đến 200MHz Từ đó có thể nhận thấy dải thông cho kênh hớng lên nhỏ hơn nhiều sovới kênh hớng xuống Ngoài ra, hầu hết nhiễu hệ thống cũng đều xuất hiện tạicác tần số thấp, điều này lại càng làm dải thông hớng lên nhỏ hơn

Do yêu cầu dải thông ngày càng tăng, đặc biệt là dải thông tín hiệu hớnglên, hiện nay các thiết bị Truyền hình cáp mới ra đời đều hỗ trợ cho phơngthức phân bố dải tần mới, trong đó dải tần hớng xuống lên đến 860 hoặc

870 MHz, đồng thời dải tần số hớng lên cũng tăng từ 5 - 65 MHz Với phân

bố dải tần này, dải thông hớng lên tăng gần gấp đôi, trong đó dải thông hớngxuống cũng tăng hơn 100MHz

Tần số (MHz)

5 40 52 500 550 750

Tần số (MHz)

Data, interative

Upstream Analog VideoDownstream Digital Video, dataDownstream

Data, interative Analog Video Digital Video, data

Upstream Downstream Downstream

1.2.4 Vị trí các mạng Truyền hình cáp và xu hớng phát triển

Từ nhiều thập kỷ trớc, mạng viễn thông đợc cấu thành bởi các thànhphần riêng biệt Thông thờng, mạng viễn thông có thể đợc chia thành cácnhóm nh sau :

- Mạng truyền hình cộng đồng (Commurity Antena Network - CATV)

- Mạng máy tính nội hạt LAN và mạng diện rộng WAN

- Mạng điện thoại công cộng PSTN

Các nhóm này thực sự là các mạng độc lập vì chúng cung cấp các dịch

vụ riêng biệt mà các mạng khác không thực hiện đ ợc Do vậy mạngCATV không cung cấp cho thuê bao Thoại hoặc các dịch vụ dữ liệu tốc độcao và các mạng PSTN cũng không cung cấp các dịch vụ Video số hoặc t-

ơng tự quảng bá Giữa những năm 90, có 2 ảnh hởng mạnh mẽ đã đóng vaitrò quan trọng trong việc thay đổi diện mạo toàn mạng :

* Thứ nhất, việc truy nhập Internet dễ dàng và chi phí thấp đã mở ra siêu lộthông tin cho nhiều thuê bao và các doanh nghiệp thực hiện thơng mại điện tử,mua sắm trực tuyến, quảng cáo và các thông tin về dịch vụ dễ dùng, nhanhchóng và miễn phí khác

* Thứ hai, đó là việc ban hành đạo luật về viễn thông năm 1996 của Mỹ(U.Stele communications Act) Nội dung là bãi bỏ những quy định về viễnthông trong đó cho phép các công ty Thoại (nội hạt và đờng dài), các nhà cungcấp dịch vụ không dây, hữu tuyến, quảng bá có thể thâm nhật vào lĩnh vực màmình không phụ trách Đạo luật này đã tạo ra hội chứng hợp nhất nhiều công

ty tạo thành các công ty lớn

Hình 1.5 chỉ ra sự hội tụ của 3 mạng viễn thông trong một mạng băng rộng

để cung cấp nhiều dịch vụ thông tin và giải trí Tuy nhiên, có nhiều nhân tốkinh tế, lợi nhuận và điều tiết tác động đến tính khả thi trong việc xây dựngmột mạng viễn thông nh vậy

7

Các mạng máy tính

Các mạng thoại

Các mạng Các mạng cáp băng rộng

Hình 1.5 : Hội tụ mạng HFC, mạng máy tính và mạng PSTN.

Các mạng CATV đã trải qua các giai đoạn phát triển từ mạng tơng tựquảng bá một chiều đồng trục tới mạng HFC tơng tác 2 chiều truyền tải cáckênh Video tơng tự, số và dữ liệu tốc độ cao Mạng đồng trục băng rộng kiếntrúc cây và nhánh truyền thống đợc hỗ trợ bởi công nghệ RF phục vụ tốt cácdịch vụ quảng bá và các dịch vụ điểm - đa điểm Dùng nhiều bộ khuếch đại(30 - 40), có thể giảm chất lợng và tính năng của kênh Video AM - VSB, làmgiảm thị hiếu của khách hàng Việc sử dụng các kênh viba nối mặt đất đãgiảm số lợng các bộ khuếch đại, cải thiện đợc hiệu năng truyền dẫn các kênhquảng bá tơng tự

Sự tiến bộ vợt bậc trong công nghệ sợi quang từ cuối những năm 80 đãkhiến cho công nghiệp Truyền hình cáp phát triển mạnh mẽ Sự ra đời củalaser điều chế trực tiếp DM - DFB550 MHZ và các bộ thu quang hoạt động ởdải bớc sóng 1310mm đã làm thay đổi kiến trúc truyền thông mạng các đồngtrục Mạng HFC cho phép truyền dẫn tin cậy các kênh Video tơng tự quảng báqua sợi đơn Mode SMF tới các Node quang Do đó, số lợng các bộ khuếch đại

RF đã đợc giảm đi rất nhiều Hơn nữa các nhà điều hành còn thực hiện triểnkhai thiết bị Headed sử dụng các Ring sợi quang để kết nối giữa Heađentrung tâm và các Heađen thứ cấp hoặc các Hub tại các vị trí quan trọng Dovậy, các nhà điều hành cáp có thể hạ giá thành và cải thiện hơn nữa chất lợng

và tính hiệu dụng của các dịch vụ quảng bá truyền thống

Sự phát triển của nhiều thiết bị quan trọng nh: Các bộ điều chế QAM, các

bộ thu QAM giá thành hạ, các bộ mã hóa và giải mã tín hiệu Video số cho

phép các nhà điều hành cáp cung cấp thêm khoảng 10 dịch vụ Video số mớitrong các kênh Video AM/VSB dùng với STB số Việc triển khai nhanh chóngmạng HFC 750MHZ và một số dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng cạnhtranh truy nhập và nhiều loại hình kinh doanh cho khách hàng tại các thị trờngquan trọng.

1.2.5 Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh (MMDS)

(MMDS : Multipoint Multichanel Distribution Service)

Công nghệ truy nhập MMDS là một công nghệ không dây (wireless)khác đợc dựa trên các kênh Video tơng tự và số quảng bá mặt đất Kiến trúccơ bản MMDS gồm các khối phát vô tuyến MMDS đặt tại các tháp radio cùngvới anten, một anten của thuê bao, một bộ hạ tần và một STB (Set - Top -Box) Mỗi vùng phục vụ đợc chia thành các cell có phần giao nhau, mỗi cell

có bán kính 40 km Đối với truyền dẫn yêu cầu mức tin cậy cao, tầm nhìn giữaanten phát và thu đợc yêu cầu bình thờng Vì tầm nhìn luôn không thuận lợinên nhân tố ảnh hởng tới chất lợng chủ yếu trong hệ thống MMDS là tín hiệufading nhiều đờng Sử dụng công nghệ MMDS có những thuận lợi và khókhăn sau:

1.2.5.1 Thuận lợi

Triển khai mạng đơn giản, chi phí thấp: Do môi trờng truyền dẫn tín hiệuMMDS là sóng vi ba (sóng vô tuyến) cho nên khi triển khai mạng đến thuêbao không cần phải kéo cáp tới tận hộ thuê bao, mà chỉ cần dựng cột anten thutại thuê bao sao cho có thể nhìn thấy cột anten phát (tại cột anten của đàiTHVN) là có thể thu đợc tín hiệu và giải mã để xem Đặc điểm này sẽ giúpnhà cung cấp dịch vụ MMDS không mất thời gian, công sức và chi phí đào đ-ờng rải cáp, đảm bảo mỹ quan đô thị

1.2.5.2 Khó khăn

- Hạn chế vùng phủ sóng: Do sử dụng sóng viba tại dải tần 900MHz đểtruyền tín hiệu Video, MMDS đòi hỏi anten phát và anten thu phải nhìn thấynhau thì mới thu đợc tín hiệu tốt Vì vậy đối với các hộ dân c nằm ở phía saucác khu khách sạn cao tầng, các khu cao ốc, việc thu tín hiệu MMDS rất khóthực hiện Điều này cũng xảy ra đối với các gia đình ở trong các ngôi nhàthấp, bị các vật cản nh cây cối che chắn Đât chính là trở ngại lớn cho việccung cấp dịch vụ MMDS đến với mọi ngời dân sử dụng dịch vụ

9

- Chịu tác động mạnh bởi nhiễu công nghiệp: Do sử dụng phơng thức điềuchế tín hiệu Truyền hình tơng tự (analog) không có khả năng chống lỗi, lạitruyền bằng sóng vô tuyến, tín hiệu MMDS bị ảnh hởng rất mạnh bởi cácnguồn nhiễu công nghiệp : nhiễu từ mạng điện lới, nhiễu từ các thiết bị

điện: môtơ điện, quạt điện mà không có cách hạn chế và khắc phục Điềunày dẫn đến giảm chất lợng hình ảnh của dịch vụ MMDS

- Chịu ảnh hởng lớn bởi thời tiết: khi thời tiết xấu, ví dụ nh ma to, sét tínhiệu MMDS vô tuyến bị suy hao rất lớn trong không gian, dẫn đến giảmmạnh chất lợng tín hiệu hình ảnh

- Yêu cầu phổ tần số vô tuyến quá lớn: Muốn có khả năng cung cấp nhiềuchơng trình truyền hình tơng tự, MMDS đòi hỏi phải có dải tần đủ lớn Ví

dụ : để có thể cung cấp 13 kênh truyền hình tơng tự, MMDS đòi hỏi phải

có dải tần tối thiểu là 13 kênh x 8MHz/kênh = 104MHz Đây là một dải tầnvô tuyến rất lớn, và khi càng tăng số lợng chơng trình thì yêu cầu độ rộngbăng tần cũng tăng theo Trong khi đó phổ tần vô tuyến là nguồn tàinguyên quý giá đối với mỗi một quốc gia Không chỉ có dịch vụ truyềnhình MMDS, truyền hình quảng bá mặt đất sử dụng nguồn tải nguyên quýgiá này, mà còn rất nhiều các dịch vụ viễn thông khác cũng nh các trạmphát vô tuyến thuộc nghiệp vụ an ninh - quốc phòng tham gia sử dụngnguồn tài nguyên quý giá này Vì thế việc chiếm dụng phổ tần vô tuyếnquá lớn của MMDS là không hiệu quả

- Gây can nhiễu các đài phát vô tuyến khác: Mặc dù đợc phân một dải tầnriêng, nhng máy phát MMDS cũng nh các máy phát vô tuyến khác luônsinh ra các tần số hài bậc cao có thể ảnh hởng đến các trạm phát vô tuyếnnghiệp vụ khác

- Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số : Hiện nay việckhông sử dụng MMDS để cung cấp dịch vụ Truyền hình là xu hớng thực tếtrên thế giới (do các nhợc điểm trên) Chính vì thế việc các thiết bị phát tínhiệu truyền hình số MMDS không đợc phát triển, thêm nữa, các thiết bịgiải mã ở phía thuê bao cũng không đợc các nhà sản xuất thiết bị nghiêncứu và sản xuất Do đó việc ứng dụng truyền hình số để nâng cao chất lợnghình ảnh, dịch vụ của MMDS sẽ không có tính khả thi

Hình 1.6 Cấu hình mạng dịch vụ phân phối đa kênh đa điểm MMDS.

Một công nghệ gần với MMDS là công nghệ lai ghép giữa cáp quang vàkhông dây (HFW) hay còn gọi là lai ghép giữa quang và vô tuyến (HFR).Kiến trúc này tơng tự nh HFC ở đó một headend trung tâm phát các dịch vụbăng rộng tới nhiều cell RF qua cáp đơn mode SMF, tới thuê bao đợc thựchiện qua 2 chiều MMDS

Có nhiều u điểm trong kiến trúc này:

- Tăng độ tin cậy truyền dẫn 2 chiều giữa thuê bao và headend so với kiếntrúc MMDS truyền thống

- Giảm lắp đặt vùng RF và chi phí bảo dỡng

- Kiến trúc này thờng phù hợp triển khai trên diện rộng trong các khu vụcthành thị tại đó mạng cáp quang đã đợc xây dựng

Cáp fidơ

Cáp thuê bao

Cáp trung kế

Thuê

bao

Thuê bao

Chú thích Pad

Bộ khuếch đại Spliter Tap

Hình 1.7 là sơ đồ đơn giản của một mạng cáp toàn đồng trục Các

ch-ơng trình thu đợc từ vệ tinh hoặc viba tại Headend, Headend thực hiện nhiệm

vụ sau:

- Thu các chơng trình từ các nguồn khác nhau

- Chuyển đổi từng kênh tới kênh tần số RF mong muốn, ngẫu nhiên hóa cáckênh khi có yêu cầu

- Kết hợp tất cả các kênh tần số vào một kênh tơng tự băng rộng (ghépFDM)

- Phát quảng bá kênh tơng tự tổng hợp này xuống cho các thuê bao

càng cao suy hao càng nhanh so với tần số thấp Đó là lý do tại sao các nhàcung cấp mong muốn ít kênh Mức tín hiệu cũng bị suy giảm khi đi qua các

bộ Spliter và Tap

Trên đờng đi của tín hiệu, các bộ khuếch đại tín hiệu đợc đặt ở cáckhoảng cách phù hợp để khôi phục tín hiệu bị suy hao Các bộ khuếch đại đợccấp nguồn nhờ các bộ cấp nguồn đặt rải rác trên đờng đi của cáp, các bộnguồn này đợc nuôi từ mạng điện sở tại Các bộ khuếch đại xa nguồn đợc cấpnguồn cũng chính bằng cáp đồng trục : dòng điện một chiều đợc cộng chungvới tín hiệu nhờ bộ cộng Đến các bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ đợc táchriêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại

Vì các kênh tần số cao tín hiệu suy hao nhanh hơn nhất là trên khoảngcách truyền dẫn dài, các kênh tần số cao cần có mức khuếch đại cao hơn sovới các kênh tần số thấp Do đó cần phải cân bằng công suất trong dải tần pháttại những điểm cuối để giảm méo Để phủ cho một vùng, một bộ khuếch đại

có thể đặt ở mức cao, kết quả là cả mức tín hiệu và méo đều lớn Do vậy tạinhà thuê bao gần headend cần một thiết bị thụ động làm suy giảm bớt mức tínhiệu gọi là Pad

Các hệ thống cáp đồng trục cải thiện đáng kể chất lợng tín hiệu thu của

TV Mặc dù nhiều vùng tín hiệu Truyền hình vô tuyến quảng bá thu đợc cóchất lợng khá tốt nhng CATV vẫn đợc lựa chọn phổ biến vì khả năng lựa chọnnhiều chơng trình Tuy nhiên mạng toàn cáp đồng trục có một số nhợc điểmsau:

 Mặc dù đạt đợc một số thành công về cung cấp dịch vụ Truyền hình, các

hệ thống thuần túy cáp trục không thể thỏa mãn các dịch vụ băng rộng tốc độcao

 Dung lợng kênh của hệ thống không đủ để đáp ứng cho phát vệ tinh quảngbá trực tiếp DBS Hệ thống cáp đồng trục có thể cung cấp hơn 40 kênh nhngcác thuê bao DBS có thể thu đợc gấp 2 lần số kênh trên, đủ cho họ lựa chọnchơng trình Các mạng cáp yêu cầu cần thêm dung lợng kênh để tăng cạnhtranh

 Truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, nên cần phải đặtnhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đờng truyền Do vậy phải có các chi phíkhác kèm theo : nguồn cấp cho bộ khuếch đại, công suất tiêu thụ của mạngtăng lên dẫn đến chi phí cho mạng lớn

13

 Các hệ thống cáp đồng trục thiếu độ tin cậy Nếu một bộ khuếch đại ở gầnheadend không hoạt động (ví dụ nh mất nguồn nuôi), tất cả các thuê bao do bộkhuếch đại đó cung cấp sẽ mất các dịch vụ.

 Mức tín hiệu (chất lợng tín hiệu) sẽ không đủ đáp ứng cho số lợng lớn cácthuê bao Do sử dụng các bộ khuếch đại để bù suy hao cáp, nhiễu đờng truyềntác động vào tín hiệu và nhiễu nội bộ của bộ khuếch đại đợc loại bỏ không hết

và tích tụ trên đờng truyền, nên càng xa trung tâm, chất lợng tín hiệu cànggiảm, dẫn đến hạn chế bán kính phục vụ của mạng

 Các hệ thống cáp đồng trục rất phức tạp khi thiết kế và vận hành hoạt

động

Việc giữ cho công suất cân bằng cho tất cả các thuê bao là vấn đề rấtkhó Để giải quyết các nhợc điểm trên, các nhà cung cấp cùng đi tới ý tởng sửdụng cáp quang thay cho cáp trung kế đồng trục Toàn hệ thống sẽ có cả cápquang và cáp đồng trục gọi là mạng lai giữa cáp quang và đồng trục (mạng laiHFC) Yêu cầu đối với hệ thống quang tơng tự là duy trì sự tơng thích với cácthiết bị cáp kim loại hiện có

1.3.2 Cấu trúc mạng HFC

1.3.2.1 Các đặc điểm cơ bản mạng HFC

 Khái niệm :

Mạng HFC (Hybrid Fiber/Coaxial network) là mạng lai giữa cáp quang

và cáp đồng trục, sử dụng đồng thời cáp quang và cáp đồng trục để truyền vàphân phối tín hiệu Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các Node quang làcáp quang, còn từ các Node quang đến thuê bao là cáp đồng trục

Mạng HFC bao gồm 3 mạng con (segment) gồm:

- Mạng truyền dẫn (Transport segment)

- Mạng phân phối (Distribution segment)

- Mạng truy nhập (Acess segment)

Mạng truyền dẫn bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub sơ cấp, nhiệm

vụ của nó là truyền dẫn tín hiệu từ headend đến các khu vực xa Các Hub sơcấp có chức năng thu/phát quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tínhiệu quang tới các Hub khác

Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang, các Hub thứ cấp

và các node quang Tín hiệu quang từ các Hub sẽ đợc chuyển thành tín hiệu

điện tại các Node quang để truyền đến thuê bao Ngợc lại trong trờng hợp

mạng 2 chiều, tín hiệu điện từ mạng truy nhập sẽ đợc thu tại Node quang vàchuyển thành tín hiệu quang để truyền đến Hub về Headend.

Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục, các thiết bị thu phátcao tần có nhiệm vụ truyền tải các tín hiệu cao tần RF giữa Node quang và cácthiết bị thuê bao Thông thờng bán kính phục vụ của mạng con truy nhập tối

đa khoảng 300m

 Hoạt động của mạng:

Tín hiệu Video tơng tự cũng nh số từ các nguồn khác nhau nh : Các bộphát đáp vệ tinh, nguồn quảng bá mặt đất, Video sever đợc đa tới Headendtrung tâm Tại đây tín hiệu đợc ghép kênh và truyền đi qua Ring sợi đơn mode(SMF) Tín hiệu đợc truyền từ Headend trung tâm tới thông thờng là 4 hoặc 5Hub sơ cấp Mỗi Hub sơ cấp cung cấp tín hiệu cho khoảng hơn 150.000 thuêbao Có khoảng 4 hoặc 5 hub thứ cấp và headend nội hạt, mỗi hub thứ cấp chỉcung cấp cho khoảng 25000 thuê bao Hub thứ cấp đợc sử dụng để phân phốiphụ thêm các tín hiệu video tơng tự hoặc số đã ghép kênh với mục đích giảmviệc phát cùng kênh video tại các Headend sơ cấp và thứ cấp khác nhau Cáckênh số và tơng tự của Headend trung tâm có thể cùng đợc chia xẻ sử dụngtrên mạng backbone Mạng backbone đợc xây dựng theo kiến trúc Ring sửdụng công nghệ SONET/SDH hoặc một số công nghệ độc quyền

Các đặc điểm của SONET/SDH đợc định nghĩa cấp tốc độ số liệu chuẩn

từ tốc độ OC-1 (51,84 Mb/s)/STM-1 (155,52 Mb/s) tới các tốc độ gấp nguyênlần tốc độ này

Trong mạng SONET/SDH, tín hiệu Video tơng tự đợc số hoá, điều chế,ghép kênh TDM và đợc truyền ở các tốc độ khác nhau từ OC-12/STM-4 (622Mb/s) tới OC-48/STM-16 (2448 Mb/s), ở đây sử dụng kỹ thuật ghép kênhthống kê TDM để tăng độ rộng băng tần sử dụng Ghép kênh thống kê TDMthực hiện cấp phát động các khe thời gian theo yêu cầu để thực hiện các dịch

vụ có tốc độ bít thay đổi qua mạng SONET/SDH Để giảm chi phí lắp đặt,phần lớn các nhà điều hành CATV lựa chọn sử dụng thiết bị tơng thích vớichuẩn SONET/SDH, tuỳ theo các giao diện mạng Dung lợng node quang đợcxác định bởi số lợng thuê bao mà nó cung cấp tín hiệu Node quang có thể lànode cỡ nhỏ với khoảng 100 thuê bao hoặc cỡ lớn với khoảng 2000 thuê bao

1.3.2.2 Ưu và nhợc điểm của mạng HFC

- Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu, mạng HFC sẽ sử dụng các u điểm

v-ợt trội của cáp quang so với các phơng tiện truyền dẫn khác: Dải thông cựclớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóahọc tốt Với các sợi quang đợc sản xuất với công nghệ hiện đại ngày nay, cácsợi quang cho phép truyền các tín hiệu có tần số lên tới hàng trăm THz (1014

 1015 Hz) Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầudải thông đờng truyền mà không một phơng tiện truyền dẫn nào khác có thể

có đợc

- Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong 2 cửa sổbớc sóng quang là 1310 nm và 1550 nm Đây là 2 cửa sổ có suy hao tín hiệurất nhỏ: 0,3 dB/km với bớc sóng 1310 nm và 0,2 dB/km với bớc sóng 1550

nm Trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại suy hao thấp nhất cũng phảimất 43 dB/km tại tần số 1 GHz

- Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hởng bởicác nhiễu điện từ từ môi trờng dẫn đến đảm bảo đợc chất lợng tín hiệu trên

đờng truyền Đợc chế tạo từ các chất trung tính là Plastic và thủy tinh, cácsợi quang là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học dẫn đến tuổi thọ của sợicao

- Có khả năng dự phòng trong trờng hợp sợi quang bị đứt

Trớc đây các mạng con truy nhập thờng sử dụng các thiết bị tích cực là các

bộ khuếch đại tín hiệu nhằm bù suy hao cáp để truyền tín hiệu đi xa Theokinh nghiệm của các nhà điều hành mạng cáp của châu Âu và châu Mỹ, trụctrặc của mạng Truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và cácthiết bị ghép nguồn cho chúng Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng, vì thếviệc định vị, sửa chữa thông thờng không thể thực hiện nhanh đợc nên ảnh h-ởng đến chất lợng phục vụ khách hàng của mạng Với các mạng truy nhập

đồng trục, khi cung cấp dịch vụ 2 chiều, các bộ khuếch đại cần tích hợp phần

tử khuếch đại tín hiệu cho các tín hiệu ngợc dòng dẫn đến độ ổn định củamạng giảm Hiện nay xu hớng trên thế giới đang chuyển dần sang sử dụngmạng truy nhập thụ động, tại đó không sử dụng bất cứ một thiết bị tích cựcnào nữa, mà chỉ còn các bộ chia tín hiệu, các bộ ghép định hớng và các bộtrích tín hiệu thụ động Một mạng HFC chỉ sử dụng các thiết bị cao tần thụ

động đợc gọi là mạng HFC thụ động HFPC (Hybrid Fiber/Passive Coaxial)

nh thể hiện trong hình 1.9 Sử dụng mạng truy nhập thụ động hoàn toàn sẽ tạo

ra các u điểm sau:

- Chất lợng tín hiệu đợc nâng cao do không sử dụng các bộ khuếch đại tínhiệu mà hoàn toàn chỉ dùng các thiết bị thụ động nên tín hiệu tới thuê bao

sẽ không bị ảnh hởng của nhiễu tích tụ do các bộ khuếch đại

- Sự cố của mạng sẽ giảm rất nhiều dẫn đến tăng độ ổn định và chất lợngphục vụ mạng vì trục trặc của mạng Truyền hình cáp phần lớn xảy ra docác bộ khuếch đại và thiết bị ghép nguồn cho chúng

- Các thiết bị thụ động đều có khả năng truyền tín hiệu theo 2 chiều vì thế độ

ổn định của mạng vẫn cao khi cung cấp dịch vụ 2 chiều

- Sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động sẽ giảm chi phí rất lớn cho việccấp nguồn bảo dỡng, thay thế và sửa chữa các thiết bị tích cực dẫn đếngiảm chi phí điều hành mạng

- Nếu sử dụng mạng đồng trục thụ động, số lợng thuê bao tại một nodequang sẽ giảm đi, dẫn đến dung lợng đờng truyền cho tín hiệu hớng lên sẽtăng lên, tạo ra khả năng cung cấp tốt các dịch vụ 2 chiều tốc độ cao chothuê bao

Tuy nhiên, mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động HFPC cũng có một sốnhợc điểm sau:

17

- Do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu cao tần, tín hiệu suy hao trêncáp sẽ không đợc bù dẫn đến hạn chế lớn bán kính phục vụ của mạng.

- Do không kéo cáp đồng trục đi xa, số lợng thuê bao có thể phục vụ bởi mộtnode quang có thể giảm đi Để có thể phục vụ số lợng thuê bao lớn nh khi

sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang đến gần thuê baohơn và tăng số node quang dẫn đến tăng chi phí rất lớn cho mạng

1.3.2.3 Kết luận

Nh đã trình bày ở trên, u điểm của mạng này là nhợc điểm của mạng kia.Tuỳ thuộc vào mô hình kinh tế, điều kiện địa lý để áp dụng loại mạng nào chophù hợp Nếu xét trong cùng một phạm vi phục vụ, mạng HFPC yêu cầu số l-ợng node quang lớn hơn mạng HFC Vì vậy:

- Trong điều kiện mạng quang đã có sẵn, nên chọn phơng án xây dựng mạngHPFC nhằm mục đích giảm chi phí đầu t cho mạng đồng trục, đẩy nhanh tốc

độ triển khai mạng, nâng cao chất lợng tín hiệu và hiệu quả khai thác

- Trong điều kiện mạng quang còn hạn hẹp, nên chọn phơng án xây dựngmạng HFC Khi đó, để đẩy nhanh tốc độ mở rộng mạng phải vơn dài mạng

đồng trục bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại cao tần

Đối với tình hình nớc ta hiện nay thì cấu trúc mạng HFC hợp lý hơn vì ởViệt Nam mạng Truyền hình cáp vẫn đang còn mới mẻ, mạng mới đợc đa vào

sử dụng trong khoảng thời gian ngắn nên cơ sở hạ tầng còn thiếu thốn Hệ

Hình 1.9 Cấu trúc mạng HFPC.

Mạng truyền dẫn(Backbone)

Bộ chia

Bộ chia

thống mạng hầu nh phải kéo mới nên để giảm chi phí lắp đặt cho cả nhà khaithác lẫn các thuê bao thì mạng HFC là hợp lý nhất.

19

Chơng 2

Các thiết bị chính trong mạng quang

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Headend

2.1.1 Sơ đồ khối cơ bản của Headend

1/ Khối RF/IF là khối chuyển đổi từ tín hiệu cao tần (RF) của Truyền hìnhquảng bá lên tín hiệu trung tần (IF) của hệ thống Truyền hình cáp (hay còngọi là bộ Upconverter)

2/ Khối thu tín hiệu vệ tinh là khối có chức năng chuyển đổi từ tín hiệu vệ tinh(là hai tín hiệu audio và video tách biệt) có tần số cao xuống tín hiệu trung tần(IF) của hệ thống Truyền hình cáp (gọi là bộ Downconverter)

3/ Khối IF/IF là bộ lọc trung tần có chức năng lọc đúng tần số của kênhTruyền hình cần thu

4/ Khối IF/RF là khối chuyển đổi từ tín hiệu trung tần lên tín hiệu cao tầntrong dải tần của hệ thống Truyền hình cáp để ghép kênh và truyền lên mạng

Sợi quang Cáp đồng trục

Hình 2.1.Trung tâm Headend.

IS

IS IS

IS

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của Headend

Các chơng trình quảng bá mặt đất (VTV1, VTV2, VTV3 ) đợc thu quacác anten VHF (very high frequency), mỗi một kênh Truyền hình đợc thu quamột anten riêng, các kênh Truyền hình thu đợc sau đó đa vào khối chuyển đổi

từ tín hiệu cao tần RF thành tín hiệu trung tần IF (upconverter) Lúc này tínhiệu thu đợc từ mỗi anten là một dải tần bao gồm kênh tín hiệu cần thu và cáckênh tín hiệu khác lọt vào (ví dụ: anten VHF cần thu kênh VTV3 nhng trongtín hiệu thu đợc có cả các kênh khác nh HTV, VTV2) Tín hiệu trung tầnchung này đợc đa qua bộ lọc trung tần để lọc lấy kênh tín hiệu cần thu(VTV3) Mỗi bộ lọc trung tần đợc điều chỉnh để chỉ thu một kênh tín hiệu.Tín hiệu trung tần ra khỏi bộ lọc chỉ có một kênh duy nhất Các kênh tín hiệunày sẽ đợc đổi lên tần số RF qua bộ chuyển đổi IF/RF để đợc tín hiệu RF nằmtrong dải tần đờng xuống của mạng CATV Sau đó tín hiệu RF này đợc đa vào

bộ kết hợp (combiner 16:1) để ghép kênh với các kênh tín hiệu khác theo

ph-ơng thức ghép kênh theo tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing) Các tín hiệu vệ tinh đợc thu qua anten parabol là các tín hiệu Truyền hìnhbao gồm nhiều kênh ghép lại với nhau, để tách các kênh này ra thành các kênh

độc lập thì chúng đợc chia thành nhiều đờng bằng các bộ chia vệ tinh Sau đómỗi đờng sẽ đợc đa vào bộ thu vệ tinh (Downconverter) để chuyển từ tần sốcao thành tần số thấp, tín hiệu ra khỏi bộ thu là tín hiệu A/V Đây cha phải làtín hiệu mà CATV cần nên sau đó chúng đợc đa vào bộ chuyển đổi A/V thànhIF.Tín hiệu ra là tín hiệu IF trộn cả Audeo và Video Tín hiệu trung tần nàyvẫn là sự kết hợp của nhiều kênh tín hiệu , để lấy ra một kênh theo yêu cầu thìchúng đợc đa qua bộ lọc trung tần giống nh khi thu các chơng trình Tuyềnhình quảng bá và tín hiệu ra là kênh tín hiệu cần thu Các kênh này tiếp tục đ -

ợc đa vào bộ chuyển đổi IF/RF để đợc tín hiệu RF nằm trong dải tần CATV.Sau đó đợc đa vào combiner 16:1 để ghép kênh với các kênh truyền hình khácthu từ vệ tinh và các kênh truyền hình quảng bá trong dải tần đờng xuống(70MHz ~ 862MHz) Tín hiệu ra là tín hiệu RF đã ghép kênh bao gồm nhiềukênh đợc ghép lại với nhau Tín hiệu này đã có thể đa vào máy thu hình củathuê bao giải mã và xem đợc, nhng để truyền đi xa và theo nhiều hớng khácnhau thì nó đợc đa vào bộ khuếch đại để khuếch đại lên sau đó chia ra bằng

bộ chia tín hiệu cao tần (bộ chia ký hiệu ISV hoặc IS) Tín hiệu sau bộ chiamỗi đờng đợc đa vào một máy phát quang, tại đây tín hiệu RF đợc chuyển

thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang để truyền đến thuê bao qua mạngHFC.

2.2 Hệ thống thông tin quang

2.2.1 Khái niệm về thông tin quang

Các hệ thống thông tin thực hiện chức năng truyền tin tức từ nơi này tớinơi khác Thông tin thờng đợc truyền đi nhờ các sóng mang có tần số có thể từmột vài MHz tới hàng trăm THz ( 1THz = 1012 ) Thông tin quang có tần sốsóng mang tải tin cao, cỡ 100 THz, trong dải nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại

Đờng truyền : sợi quang học ( fiber Optic )

2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang.

Chức năng các khối trong sơ đồ:

 Kênh thông tin:

Tuỳ theo hệ thống thông tin quang là dẫn hớng hay không dẫn hớng mà

t-ơng ứng dùng hay không dùng sợi quang

Trong trờng hợp không dẫn hớng, chùm ánh sáng đợc phát ra khoảngkhông Trờng hợp này thờng áp dụng trong thông tin quang giữa các vệ tinh ởtrên bầu khí quyển

Đối với các hệ thống thông tin trên mặt đất đều là loại dẫn hớng dùng sợiquang

Máy thu quang

Kênh thông tin

quang Điều chế Ghép vào kênh Đầu ra quang

Lối vào điện

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy phát quang.

- Nguồn quang: có thể là laser bán dẫn hoặc điôt phát quang Mức công suất

ở đầu ra các nguồn quang tơng ứng là:

Laser bán dẫn: ( 0 10) dBm

Điôt phát quang: < -10 dBm Hiện nay dùng thông dụng laser bán dẫn làm nguồn quang

Với hệ thống kết hợp (Coherent): bộ điều chế là một khối riêng Khối điềuchế có cấu trúc khá phức tạp, là một mạch điện tử khá đắt tiền

 Máy thu quang:

Có nhiệm vụ biến đổi ngợc tín hiệu quang nhận đợc ở cuối đầu cáp thành tínhiệu điện ban đầu (biến đổi O/E)

Sơ đồ khối máy thu quang biểu diễn trên hình 2.4

Lối vào

quang

Lối ra

điện

- Khối tách quang (Photodetector): thờng là diot quang bán dẫn.

- Khối giải điều chế:

Với hệ thống IM-DD: Khối giải điều chế suy biến vào khối Photodetector màkhông cần các mạch điện tử điều khiển đắt tiền và phức tạp

Với hệ thống Coherent: cần các mạch điện tử nhằm duy trì điều khiển kết hợpthu - phát (đồng bộ sóng mang) và mạch giải điều chế đợc tách riêng

2.2.3 Cấu trúc sợi quang và cáp quang

2.2.3.1 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang có thể coi là một dây dẫn hình trụ trong suốt có tác dụngtruyền sóng ánh sáng Cấu tạo sợi quang đợc thể hiện nh hình 2.5

Sợi quang gồm lõi sợi (core) và vỏ sợi (cladding) Trong viễn thông dùngloại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh Lõi để dẫn ánh sáng và vỏ sợi để giữ

ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và vỏ sợi

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài, sợi

quang còn đợc bọc thêm một lớp nữa đó là vỏ bảo vệ sợi quang (lớp phủ) Lớp

này đợc tuốt sạch khi tách ra hàn nối Mỗi lớp có mô đun đàn hồi khác nhau,lớp trong mềm hơn lớp ngoài, lớp vỏ này bảo vệ sợi quang không bị suy haokhi bị uốn cong trầy xớc

Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:

Chống lại sự xâm nhập của hơi nớc

Tránh sự trầy xớc gây nên những vết nứt

Giảm ảnh hởng vì uốn cong

Lớp phủ đợc bọc ngay trong quá trình kéo sợi Chiết suất của lớp phủ lớnhơn chiết suất của lớp vỏ sợi để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp vỏ sợi vìkhi đó sự phản xạ toàn phần không thể xảy ra phân cách giữa lớp vỏ sợi và lớp

phủ Lớp phủ có thể đợc nhuộm mầu hoặc có thêm vòng đánh dấu, khi hàn nốisợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi nhất thiết phải tẩy sạch lớp phủ Độ đồng nhất,

bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ có ảnh hởng đến chất lợng của sợi quang Thờng sợi quang dùng trong viễn thông có 5 loại chủ yếu sau:

Các loại sợi quang

Bảng 2.1

Loại

Đờng kính

lõi(m)

Đờng kính vỏ(m)

Đờng kính vỏbọc(m)

Đờng kính ống

đệm(m)

2.2.3.2 Phân loại sợi quang

Có thể phân loại sợi quang theo cấu tạo hoặc theo đặc tính tryền dẫn,Tuy nhiên trong thực tế ngừơi ta phân loại sợi quang theo đặc tính truyền dẫn

2.2.3.2.1 Sợi quang đa mode chiết suất bậc SI- MM (Step Index- Multi Mode)

Là loại sợi có chiết suất vùng lõi (n1) và chiết suất vùng vỏ (n2) khácnhau nhng đều là hằng số (n1>n2) Đây là loại sợi đa Mode có cấu tạo nh hình

vẽ 2.6

Các thông số của sợi đa mode thông dụng là:

Đờng kính lõi: d = 2a =50 m (a là bán kính lõi sợi)

Đờng kính vỏ sợi: d = 125 m = 2b = 125m (b là bán kính vỏ sợi)

1

2 1

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏbọc khác nhau một cách rõ rệt, nh hình bậc thang Các tia sáng từ nguồnquang ghép vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đờng khác

nhau Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc

n

C V

SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài đợc Nhợc điểm này

có thể khắc phục đợc trong loại sợi có chiết suất giảm dần

2.2.3.2.2 Sợi quang đa Mode chiết suất biến đổi GI- MM (Graded Multi Mode)

Index-Vùng vỏ chiết suất n2 không đổi còn vùng lõi có chiết suất n1 thay đổitheo bán kính lõi, giảm dần từ tâm lõi ra vỏ của sợi Cấu tạo sợi quang GI-

n

2

Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 = 1,46

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thay

đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đ ờngtruyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nh ng vận tốctruyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đờng truyền dài hơn nh-

ng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngợc lại các tia truyền gần trục có đờngtruyền ngắn hơn nhng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trụcsợi quang có đờng truyền ngắn nhất nhng vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ởtrục là lớn nhất Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đ ờngparabol thì đờng đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền củacác tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

2.2.3.2.3 Sợi đơn Mode SI - SM (Step Index - Single Mode)

Vùng lõi và vùng vỏ có chiết suất n1, n2 khác nhau đều là hằng số nhngbán kính vùng lõi nhỏ hơn rất nhiều so với sợi SI - MM Trong sợi quang đamode (SI - MM, GI - MM) có thể truyền nhiều tia sáng với các góc độ khácnhau Do vậy chúng đợc gọi là sợi quang đa mode Ngời ta cố gắng làm cho đ-ờng kính của lõi sợi giảm để đặt đợc điều kiện chỉ có các tia sáng đi thẳng,dọc theo trục sợi quang và loại sợi quang này gọi là sợi quang đơn Mode Cấutạo sợi quang SI - SM thể hiện ở hình 2.8

Hình 2.7 Cấu tạo sợi và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi GI-MM.

n2

n1

ở đây không có sự khác nhau về sự lan truyền giữa các tia sáng ITU đãchuẩn hoá đờng kính của lõi sợi quang đơn mode là 8m ữ 10m và vỏ sợiquang là 125m Độ lệch chiết suất ∆ = 0,3% Chiết suất lõi sợi n1 =1,46.

2.2.3.3 Cáp sợi quang

Thôngthờng trong thực tế ngời ta không chế tạo các sợi quang đơn lẻ mà

tổ hợp chúng lại thành nhóm các sợi, gọi là cáp sợi quang Cáp sợi quang đợcchế tạo phù hợp với mục đích sử dụng của ngành viễn thông bao gồm: Cáptreo, cáp chôn trực tiếp, cáp thả biển, cáp trong nhà Mỗi loại cáp sẽ có thêmvài chi tiết đặc biệt ngoài cấu trúc chung của cáp

n2

r Mặt cắt ngang Mặt cắt dọc

Hình 2.9 Cấu tạo cáp quang điển hình.

Vỏ cáp (Nhựa PE) Lớp vỏ kim loại (Nhôm) Lớp vỏ nhựa thứ 2 ống lỏng chứa sợi quang ống đệm đầy

Sợi quang Gia c ờng trung tâm

Chất đệm đầy

Sợi quang: Các sợi quang đã đợc bọc lớp phủ và lớp vỏ đợc sắp xếp theo

một thứ tự nhất định Lớp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khít, đệm Tổnghợp, băng dẹt

Thành phần chịu lực: Vì sợi quang bằng thuỷ tinh dễ gẫy nên trong cáp

sợi quang phải có các thành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéocăng trong quá trình lắp đặt cũng nh trong thời gian sử dụng

Thành phần chịu lực trung tâm: Nằm ở trục cáp, thành phần chịu lực

trung tâm bằng sợi phi kim loại Cũng có thể là kim loại nằm ở bên ngoài cápnếu là cáp quang treo

Thành phần chịu lực bên ngoài: Bằng sợi tơ hay sợi Amiăng đợc bện

quanh ruột cáp Ngoài ra, ở một số loại cáp còn có thêm sợi chịu lực bằng sợihoá học, góp phần tăng sức chịu cho cáp

Chất nhồi: Có tác dụng tránh sự xâm nhập của hợi nớc dọc theo suột cáp

và làm đầy ruột cáp Ngời ta bơm đầy các khoảng trống trong ruột cáp bởi mộthợp chất nhờn dới một áp suất cao, chất nhờn phải có đợc đặc tính:

+ Có tác dụng ngăn ẩm

+ Không có tác dụng hoá học với các thành phần khác của cáp

+ Không thay đổi thể tích với các thành phần khác của cáp

+ Không thay đổi thể tích trong khoảng nhiệt độ làm việc

+ Dễ tẩy sạch khi hàn nối

+ Khó cháy

+ Giảm sự tác động của các lực từ bên ngoài

Vỏ cáp: Có tác dụng bảo vệ ruột cáp tránh ảnh hởng của điều kiện bên

ngoài nh: Các lực cơ học, tác dụng của các chất hoá học, nhiệt độ và hơi ẩm.Hiện nay lớp vỏ cáp thờng sử dụng vật liệu là:

Vỏ bằng nhựa PE: Mầu đen có tác dụng ngăn bức xạ cực tím Thôngdụng đối với cáp ngoài trời

Vỏ bằng nhựa PVC: Thờng có mầu xám có đặc tính khó cháy nên thíchhợp cho cáp trong nhà

Lớp gia cờng: Thờng bằng kim loại có dạng lá mỏng bao quanh vỏ cáp

có tác dụng bảo vệ cáp trong những điều kiện khắc nhiệt

2.2.3.4 Nguyên lý truyên dẫn ánh sáng trong sợi quang

 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tợng phản xạ toànphần của tia sáng Tia sáng lan truyền trong lõi sợi quang vừa bị phản xạ vừa

bị khúc xạ Chúng ta sẽ nghiên cứu sự lan truyền của ánh sáng giữa hai môi ờng có chiết suất khác nhau bằng phơng pháp quang hình học nh trên hình2.10a.

tr-Nếu ta cho một tia sáng đi từ môi trờng thứ nhất có chiết suất n1 đếnmặt phân cách vơí môi trờng thứ hai có chiết suất n2 (giả sử n1 > n2), thì tiasáng tách thành hai tia Một tia phản xạ lại môi trờng thứ nhất, một tia khúc xạsang môi trờng thứ hai (hình 2.10a) Tia phản xạ và khúc xạ có quan hệ với tiatới là:

Cùng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến mặtngăn cách tại điểm tới)

Góc phản xạ bằng góc tới ( = )

Góc khúc xạ xác định bằng công thức: n1sin = n2sin (2.4)

 Sự phản xạ toàn phần

Nếu n1 < n2 thì  > , tia khúc xạ gẫy về phía pháp tuyến

Nếu n1 > n2 thì  < , nếu tăng  thì  cũng tăng và  luôn lớn hơn ,khi  = 900 tức là tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì  đợc gọi là góctới hạn ( = T) Nếu tiếp tục tăng thì không còn tia khúc xạ Hiện tợng nàygọi là hiện tợng phản xạ toàn phần (hình 2.10b) Dựa vào định luật khúc xạ tatính đợc góc tới hạn T nh sau:

n1sin = n2sin => sinT =

Tia phản xạ Pháp tuyến

α δ

T δ

 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần, sợi quang đợc chế tạo gồm mộtlõi bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và lớp vỏ sợi bằng thuỷ tinh có chiết suất n2với n1> n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạtoàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ Do đó ánh sáng có thể truyền

đợc trong sợi có cự ly dài ngay cả khi bị uốn cong với một độ cong có giớihạn Tóm lại muốn có hiện tợng phản xạ toàn phần trong sợi quang phải thoảmãn 2 điều kiện sau:

- Chiết suất lõi sợi (n1) phải lớn hơn chiết suất vỏ sợi (n2)

- Phải ghép ánh sáng từ nguồn quang vào lõi sợi quang sao cho góc tớilớn hơn góc tới hạn

ánh sáng phát ra từ nguồn phát sáng, muốn đa vào lõi của sợi quang cần phảitập trung ánh sáng Tuy nhiên chỉ một phần tia sáng có góc tới nằm trong mộtgiới hạn nhất định mới có thể đa vào lõi sợi quang

1 ánh sáng lan truyền trong vỏ sợi

2 ánh sáng tơng ứng với góc tới hạn

3 ánh sáng lan truyền trong lõi sợi vì bị phản xạ toàn phần

Trên hình vẽ, tại điểm đa vào sợi quang chia thành ba môi trờng liềnnhau có chiết suất khác nhau đó là môi trờng không khí, lõi sợi và vỏ sợiquang Ta gọi chiết suất lần lợt là nkk (nkk=1), n1 và n2 áp dụng định luật khúcxạ và phản xạ ánh sáng tại các biên tiếp giáp ta có góc nhận lớn nhất là max làgóc mở của tia số 2 có góc tới bằng góc tới hạn

Theo định luật Snell, thì ta có hai phơng trình

NkkSin max= n1Sinc (2.6)

n1Sin(900- c) = Cosc = n2Sin900 (2.7)

=> Cosc = n2/n1 (2.8)

=>NA =sin max = 2

2 2

n  = n1 2  (2.9) Với ∆ là độ lệch chiết suất tơng đối

NA = sin max= n1 2  đợc gọi là khẩu độ số, nó cho ta biết điều kiện đa

ánh sáng vào sợi quang Đây là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghépgiữa nguồn quang vào sợi quang

Vì khẩu độ số có liên quan tới góc vào lớn nhất, cho nên nó thể hiện sựtiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng của sợi, vì thế cho phép

ta tính toán đợc hiệu quả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang

Nh vậy chỉ các tia sáng khi đã lọt vào lõi sợi có góc  < c mới lantruyền dọc theo sợi Tuy nhiên khi pha của sóng phẳng kết hợp với tia tới chỉ

có các tia có góc riêng biệt nào đó nhỏ hơn c thì mới có khả năng truyền dọctheo sợi

Giá trị tiêu chuẩn của NA là:

+ Đối với sợi đơn mode là 0,1

+ Đối với sợi đa mode là (0,10,5)

2.2.3.5 Sự suy hao ánh sáng trong sợi quang

Để tính toán xác định tốc độ truyền dẫn và cự ly khoảng cách trạm lặpcủa hệ thống thông tin quang ta cần phải nghiên cứu hai tham số cơ bản là

độsuy hao quang và độ rộng băng truyền dẫn Nếu suy hao nhỏ thì cho phépkhoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn Ta thấy suy hao của sợi quang gây lênbởi nhiều yếu tố khác nhau và đợc đo bằng

P2 = PL là công suất ở cuối sợi;

a là suy hao tổng của sợi quang;

L là chiều dài sợi quang

33

as là suy hao trung bình của sợi quang.

Trong sợi quang có nhiều nguyên nhân gây suy hao đó là:

 suy hao do hấp thụ:

ánh sáng lan truyền trong sợi quang rất dễ bị hấp thụ bởi vật liệu chế tạosợi Suy hao này gọi là suy hao hấp thụ, do chính sợi quang và các tạp chấttrong vật liệu làm sợi quang gây ra, có hai loại hấp thụ làm suy giảm sóng ánhsáng là hấp thụ riêng và hấp thụ do vật liệu không tinh khiết

 suy hao do hấp thụ riêng:

Vật liệu chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng đi qua một cách tự do trongmột dải bớc sóng nhất định với tiêu hao rất nhỏ, còn ở một số bớc sóng khác

sẽ xẩy ra hiện tợng cộng hởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hoáthành nhiệt năng Do hiện tợng bức xạ cộng hởng hồng ngoại có ảnh hửơngsuy hao ở vùng bớc sóng phía trên 1600nm Ngời ta thấy =1600nm trở lên thìsuy hao tăng lên rất nhanh theo bớc sóng Nhỏ hơn 800nm có ảnh hởng củahiện tợng cộng hởng hấp thụ cực tím, song chúng ít ảnh hởng tới vùng bớcsóng công tác 850nm Trở lên

 suy hao hấp thụ do vật liệu không tinh khiết:

Nếu vật liệu thuần thuý tinh khiết thì ánh sáng truyền qua không bị tổnhao Trong thực tế vật liệu chế tạo sợi quang là không tinh khiết do lẫn cáctạp chất nh: Fe, Cu, và đặc biệt là các I-on OH (nớc) dẫn đến khi truyền ánhsáng ở các bớc sóng 1300nm và 1500nm rất nhạy cảm với sự không tinh khiếtcủa vật liệu

 Suy hao do tán xạ Rayleigh:

Tán xạ Rayleigh là hiện tợng ánh ánh sáng bị tán xạ theo nhiều hớngkhác nhau khi nó gặp phải vật có kích thớc không quá lớn so với bớc sóng của

ánh sáng, nó xuất hiện do ảnh hởng của các chỗ không đồng nhất còn sót lạitrong giai đoạn làm nguội khi chế tạo Ta có hệ số suy hao do tán xạ là:

Trong đó: aTX(0) là hệ số suy hao tán xạ tại bớc sóng mẫu

0 là xác định cho từng loại vật liệu

 Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây nên:

Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tởng

và cấu trúc hình trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi, sự không phẳng đó đã gây lênhiện tợng ánh sáng bị tán xạ và một vài chỗ bị phản xạ ánh sáng ra ngoài,những chỗ không phẳng này sẽ gây ra suy hao quang, nó làm tăng suy haoquang do phản xạ bất bình thờng đối với ánh sáng lan truyền

 Suy hao bức xạ gây lên do bị uốn cong:

Là suy hao ngoài bản chất của sợi, suy hao này gây lên do sợi bị uốncong Khi sợi quang bị uốn cong thì các tia sáng có các góc tới lớn hơn góc tớihạn và phản xạ ra ngoài vỏ gây nên suy hao Có hai loại uốn cong sợi là uốncong vi mô và uốn cong vĩ mô, chính vì thế khi bọc sợi thành cáp, thiết kế lắp

đặt hệ thống thông tin quang phải chú ý đến bán kính cong của sợi quang phảilớn hơn giới hạn cho phép

 Suy hao hàn nối:

Khi lắp đặt cần phải hàn nối các sợi quang với nhau do đó dẫn đến có tiêu haotại các mối hàn Với lý do là khi hàn nối hai đầu sợi không hoàn toàn đồng

nhất với nhau.

 Suy hao ghép nối giữa sợi quang và các thiết bị thu - phát quang:

Ghép nối ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang đợc xác địnhbằng khẩu độ số NA, khi thu tín hiệu quang cũng cần phải ghép nối từ sợiquang vào thiết bị bằng các Connector do đó sẽ có tiêu hao lớn khi ghép nối vìcác mối nối sẽ không đồng nhất

2.2.3.6 Sự tán sắc trong sợi quang

Xung quang truyền lan theo sợi quang sẽ bị giãn rộng ra, vì thế chúnggối lên các xung kế kận kết quả là hạn chế khả năng truyền dẫn của sợi quang

Đặc tính này làm biến dạng tín hiệu truyền dẫn Làm hạn chế dải thông của ờng truyên quang Độ tán sắn sắc tổng cộng ký hiệu là D, đơn vị là giây (s) đ -

đ-ợc xác định theo công thức: D= 2

1 2

2 

  (2.13)Trong đó 1,2 là độ rộng xung vào và ra, đơn vị là (S), độ tán sắc quamỗi km đợc tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km

 Tán sắc mode:

Trong sợi quang đa Mode, các mode khác nhau lan truyền ánh sáng với

35