Tìm hiểu mạng truyền hình cáp việt nam và tìm hiểu thiết kế khi nhà CT2A khu đô thị mỹ đình II

Do các hạn chế của dịch vụ truyền hình như ở trên nên việc phát triển truyền hình cáp hữu tuyến HFC là điều tất yếu vì : Mạng HFC sử dụng cáp quang ở mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệ

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

Đề tài: Tìm hiểu mạng truyền hình cáp Việt Nam và tìm

hiểu thiết kế khu nhà CT2A– khu đô thị Mỹ Đình II

Giảng viên hướng dẫn : TS Đặng Hải Đăng

Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn An

Lớp : K16A Khoá : 2013-2017

Hệ : Đại học chính quy

Hà Nội, tháng 5 /2017

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

Đề tài: Tìm hiểu mạng truyền hình cáp Việt Nam và tìm

hiểu thiết kế khu nhà CT2A– khu đô thị Mỹ Đình II

Giảng viên hướng dẫn : TS Đặng Hải Đăng

Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn An

Lớp : K16A Khoá : 2013-2017

Hệ : Đại học chính quy

Hà Nội, tháng 5 /2017

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: Hoàng Văn An

4/TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO KHU NHÀ CT2A - KHU ĐÔ THỊ MỸ ĐÌNH II

3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu

4/ Ngày giao : / /2017

5/ Ngày nộp: / 2017

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

Ngày tháng năm 2017 TS Đặng Hải Đăng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ………

………

………

………

………

Ngày tháng năm 2017

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền hình cáp (CATV) từ lâu đã không còn xa lạ đối với người dân ở các nước phát triển trên thế giới Tuy nhiên việc phát triển và mở rộng các mạng truyền hình cáp vẫn chưa được quan tâm nhiều bởi trước đây mạng truyền hình cáp chỉ đơn thuần cung cấp các dịch vụ về truyền hình, không thể cung cấp các dịch vụ khác như thoại, số liệu Tại Việt Nam hiện nay có các dịch vụ truyền hình như truyền hình quảng bá, dịch vụ truyền hình MMDS và dịch vụ truyền hình cáp hữu tuyến Truyền hình quảng bá là chương trình truyền hình tương tự và sử dụng dải tần số ngoài không gian nên tài nguyên hạn hẹp dẫn đến số lượng kênh phát ra của truyền hình quảng bá rất hạn chế và

nó chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các nguồn nhiễu của môi trường truyền dẫn như : nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các đài phát lân cận và nó cũng chịu ảnh hưởng rất lớn từ thời tiết Dịch vụ truyền hình quảng bá không thể tăng thêm kênh chương trình khác

do băng thông bị hạn chế

Còn dịch vụ truyền hình MMDS là phương thức truyền trong tầm nhìn thẳng nên anten thu của thuê bao bắt buộc phải nhìn thấy anten phát của trạm vi ba gần nó thì mới thu được tín hiệu Đây là một nhược điểm của dịch vụ vì nó hạn chế đối với các vùng dân

cư trong khu vực có nhiều tòa nhà cao tầng che chắn (như là các khách sạn) hoặc các khu dân cư có nhiều cây cối che phủ Các khu vực đó không thể bắt tín hiệu do tín hiệu không thể đi xuyên qua các chướng ngại vật hoặc đi cong xuống Còn nữa nó cũng tương tự như truyền hình quảng bá ở chỗ băng thông bị hạn chế nên kêng truyền phát

ra bị hạn chế và nó cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các nguồn nhiễu công nghiệp, nhiễu của các đài nhiễu lân cận và chính nó cũng gây nhiễu cho các đài phát khác,cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thời tiết

Do các hạn chế của dịch vụ truyền hình như ở trên nên việc phát triển truyền hình cáp hữu tuyến HFC là điều tất yếu vì : Mạng HFC sử dụng cáp quang ở mạng truyền dẫn

và phân phối tín hiệu nên đã sử dụng được các ưu điểm của mạng cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn như : Băng thông của cáp quang rất lớn (1014 ~ 1015 Hz), suy hao đường dẫn rất nhỏ, không chịu ảnh hưởng bởi nhiễu của môi trường ngoài và nhiễu điện từ, có thể tích hợp được nhiều dịch vụ trên cùng một đường truyền

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

Tại Hà Nội nhu cầu phát triển truyền hình cáp hữu tuyến quy mô, hiện đại cũng cấp nhiều chương trình cho người dân Thủ đô đã được lập kế hoạch phát triển và đã được triển khai trên diện rộng

Cùng với sự phát triển này, đề tài tốt nghiệp “Tìm hiểu mạng truyền hình cáp Việt Nam và tìm hiểu thiết kế khu nhà CT2A– khu đô thị Mỹ Đình II”trình bày những

nội dung cơ bản nhất các công nghệ sử dụng trong mạng truyền hình cáp hữu tuyến về kiến trúc mạng HFC Nội dung bản đồ án gồm bốn chương được giới thiệu sơ lược sau đây :

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về truyền hình cáp hữu tuyến nói chung

Chương 2: Giới thiệu về một số thiết bị quan trọng sử dụng trong việc thiết kế và lắp

đặt mạng quang (mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu truyền hình) Nêu nguyên tắc làm việc của một trạm trung tâm truyền hình cáp cơ bản, cấu tạo của thiết bị trung tâm

Chương 3: Giới thiệu về các thiết bị chính dùng trong mạng cáp đồng trục (mạng truy

nhập tín hiệu)

Chương 4: Nêu nguyên tắc thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến và thiết kế một

mạng truyền hình cáp cụ thể trên địa bàn thành phố Hà Nội Trong chương này có tính toán chi tiết tín hiệu từ Node quang đến tận thuê bao Tuy nhiên chỉ chọn lựa thí điểm một vùng nhất định

Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi sơ suất và một số

nộ dung chưa được chi tiết, mong thầy cô góp ý và thông cảm

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Hải Đăng đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

Hà Nội, ngày …tháng …năm …

Sinh viên

Hoàng Văn An

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

MỤC LỤC Trang CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP 1

1.1 Tổng quan về truyền hình cáp 1

1.2 Kiến trúc mạng CATV truyền thống 3

1.3 Kiến trúc mạng HFC 5

1.3.1 Các đặc điểm cơ bản mạng HFC 5

1.3.2 Ưu và nhược điểm của mạng HFC 7

1.4 Tiêu chuẩn truyền dẫn trong mạng truyền hình cáp 8

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG MẠNG QUANG 9

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Headend 9

2.1.1 Sơ đồ khối cơ bản của Headend 9

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của Headend 11

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang 12

2.2.1 Cấu tạo 12

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát 16

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của node quang 17

2.4 Ghép công suất quang 18

2.5 Hệ thống cáp quang 19

2.5.1 Các sợi quang 20

2.5.2 Nguồn quang trong mạng HFC 21

2.5.3 Các bộ thu quang trong mạng HFC 22

CHƯƠNG 3 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG MẠNG CÁP ĐỒNG TRỤC 24

3.1 Cáp đồng trục 24

3.1.1 Cáp đồng trục QR 540: 25

3.1.2 Cáp đồng trục RG 11: 26

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

3.1.3.Cáp đồng trục RG 6 28

3.2 Các bộ khuếch đại RF (Radio Friquency) 31

3.2.1 Đặc điểm các bộ khuếch đại 31

3.2.2 Bộ khuếch đại trung kế 31

3.2.3 Bộ khuếch đại đường dây 33

3.3 Nguồn điện trong mạng cáp 34

3.4 Cách tính mức tín hiệu trong mạng cáp 35

3.5 Cách đo tín hiệu 36

3.6 Quy định khi thi công mạng cáp 37

3.6.1 Yêu cầu lắp đặt hộp đựng thiết bị 37

3.6.2 Yêu cầu thi công cáp đồng trục 39

3.6.3 Yêu cầu lắp đặt khuếch đại 40

3.7 Các lỗi thường gặp trong quá trình vận hành và cách khắc phuc 41

3.71.Tín hiệu tại thuê bao nhiễu 41

3.7.2.Tín hiệu bị nhấp nháy: 41

3.7.3 Các kênh tín hiệu có mức không đồng đều: 42

3.7.4 Hình bị các vạch xước ngang: 42

3.7.5 Tín hiệu có vạch ngang liên tục hết màn hình: 42

3.7.6 Mất tín hiệu: 42

3.7.7 Tín hiệu mầu bị vằn: 43

3.7.8 Chất lượng tín hiệu tại thuê bao xấu đi đột ngột: 43

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO KHU NHÀ CT2A - KHU ĐÔ THỊ MỸ ĐÌNH II 44

4.1 Lựa chọn các thông số kỹ thuật cho mạng truyền hình cáp 44

4.2 Thiết kế 45

4.2.1 Lựa chọn sợi quang 45

4.2.2 Tính toán suy hao của hệ thống 46

4.2.3 Tính toán kích thước node quang cho yêu cầu hiện tại 48

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

4.3 Nguyên tắc thiết kế phần mạng đồng trục 49

4.3.1 Nguyên tắc thiết kế 49

4.3.2 Sơ đồ thực tế khu nhà CT2A - Khu đô thị Mỹ Đình II 50

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital ConverterBộ chuyển đổi tương tự /số

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số bấtđối xứng

AGC………Automatic Gain Control………Tự động điều chỉnh số khuếch đại

APC……….Automatic Power Control……….Tự động điều chỉnh công suất

AM……… Amplitude Modulaion………Điều biên

BCC……….Binary Convolutional Code ……… Mã xoắn nhị phân

BNU……….Broadband Network Unit……… Khối mạng băng thông BPF……… Band Pass Filter……… Bộ lọc thông dải

CMTS …….Cable Modem Termination System………Hệ thống kết cuối modem cáp

CO…………Central Office………Tổng đài trung tâm CSO……… Composite Second Order………Tổng méo hài bậc hai CTB……… Composite Triple Beat ……… ……Tổng méo hài bậc ba DAC……….Digital to Analog Converter………Chuyển đổi số/tương

DVB………Digital Video Broadcast……… Phát quảng bá truyền hình số

DWDM… Dense Wavelength Division ………Ghép kênh theo bước Multiplexing sóng mật độ

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

caoDVB………Digita Video Broadband……… Video số băng

rộng

EDFA…… Erbium-Doped Fiber Amplifier………Khuếch đại quang sợi

FEC……….Forward Error Correction……….Mã hóa sửa lỗi

FP ……… Fabry Perot………Khoang cộng hưởng

FTTC…… Fiber To The Curb Cáp quang tới tận cụm

dân cư

FTTH………Fiber To The Home……… Cáp quang tới tận nhà

FTTN………Fiber To The Node……….Cáp quang tới tận

Node

GOP……… Group of Pictures……… Nhóm ảnh

HDSL………High-bit-rate DSL ……….Đường dây thuê bao số

tốc độ bit cao

HDT……… Host Digital Terminal………Kết cuối số tổng đài

HDTV…… High Definition Television……… Truyền hình độ phân giải cao

IPPV……….Impulse Pay Per View………Dịch vụ xem phim trả

MSE……….Mean Square Error……… Phương sai lỗi

NVOD…… Near Video-On-Demand ……… Truyền hình theo yêu

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

PPV……… Pay Per View……… … Dịch vụ trả tiền theo số lượng phim đã xem

SMC………Secondary Carrier Modulation………Điều chế sóng mang phụ

SMF………Single Mode Fiber………Sợi quang đơn mốt VDSL…… Very high-speed DSL……….……… DSL tốc độ rất cao

GVHD: Đặng Hải Đăng SVTH: Hoàng Văn An

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Sơ đồ mạng truyền hình cáp hữu tuyến 1

Hình 1.2 Cấu hình mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu……… 2

Hình 1.3 Công nghệ tích hợpnhiều loại thuê bao khác nhau……… 3

Hình 1.4 Kiến trúc đơn giản mạng CATV truyền thông ……… 3

Hình 1.5 Kiến trúc mạng HFC……… ………6

Hình 2.1 Trung tâm Headen……… 10

Hình 2.2 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu quang……… ……….12

Hình 2.3 Laser Fabry-perot………14

Hình 2.4 Đặc tính P-I của laser diode………15

Hình 2.5.Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán DFB……… 16

Hình 2.6 Sơ đồ khối của Node quang 4 cổng ra……… ….…… 17

Hình 2.7 Góc ghép của nguồn quang và sợi quang……… ……….…… 19

Hình 2.8 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn quang………… ……….… 20

Hình 2.9 Sơ đồ khối đơn giản khối thu quang trong mạng HFC dùng mạch tiền khuếch đại đẩy kéo………23

Hình 3.1 Cấu tạo cáp đồng trục……… ……….…………24

Hình 3.2 Phần cáp đồng trục trong kiến trúc cây và nhánh trong mạng HFC, các loại cáp và các loại bộ khuếch đại……… 31

Hình 3.3 Sơ đồ khối đơn giải bộ khuếch đại trung kế ……….… 33

Hình 3.4.Minh họa đơn giản một diplexer 34

Hình 4.1 Phân bố dải tần cho các mạng truyền hình cáp Mỹ….……….44

Hình 4.2 Phân bố dải tần cho các mạng truyền hình cáp Châu Âu……….45

Hệ thống thiết bị trung tâm

Hệ thống trung tâm (Headend System) là nơi cung cấp, quản lý chương trình hệ thống mạng truyền hình cáp Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tin quan sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển

Với các hệ thống mạng hiện đại có khả năng cung cấp các dịch vụ truyền tương tác, truyền số liệu, hệ thống thiết bị trung tâm còn có thêm các nhiệm vụ như: mã hoá tín hiệu quản lý truy nhập, tính cước truy nhập, giao tiếp với các mạng viễn thông như mạng Internet

Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp:

Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là môi trường truyền dẫn tín hiệu

từ trung tâm mạng đến các thuê bao Tuỳ theo đặc trưng của mỗi hệ thống truyền hình cáp, môi trường truyền dẫn tín hiệu sẽ thay đổi: với hệ thống truyền hình cáp như MMDS môi trường truyền dẫn tín hiệu sẽ là sóng vô tuyến Ngược lại, đối với

hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến (Cable TV) môi trường truyền dẫn sẽ là các hệ thống cáp hữu tuyến (cáp quang, cáp đồng trục, cáp đồng xoắn .) Mạng phân

HÖ thèng trung t©m

(Headend System)

M¹ng TruyÒn dÉn vµ ph©n phèi tÝn hiÖu

ThiÕt bÞ thuª bao (Customer System)

H×nh 1.1 M¹ng truyÒn h×nh c¸p

h÷u tuyÕn

M¹ng TruyÒn dÉn vµ ph©n phèi tÝn hiÖu

2

phối tín hiệu truyềnhình cáp hữu tuyến có nhiệm vụ nhận tín hiệu phát ra từ các thiết bị trung tâm, điều chế, khuếch đại và truyền 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 thống mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến đối tượng dịch vụ, khoảng cách phục vụ, số lượng thuê bao và khả năng mở rộng cung cấp mạng

Thiết bị tại thuê bao

Với một mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ tương tự, thiết bị tại thuê bao 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 bao gồm các bộ chia tín hiệu, các đầu thu tín hiệu truyền hình (Set-top-box) và các cáp dẫn Các thiết bị này có nhiệm vụ thu tín hiệu và đưa đến TV để thuê bao sử dụng các dịch vụ của mạng: Chương trình TV, truy nhập Internet, truyền dữ liệu

HEADEN HUB SƠ

3

1.2 Kiến trúc mạng CATV truyền thống

Hình 1.4 là sơ đồ đơn giản của một mạng cáp toàn đồng trục Các chương trình thu được

từ vệ tinh hoặc viba tại headend, headend thực hiện nhiệm vụ sau:

IP PHONE

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

Hình 1.4 Kiến trúc đơn giản mạng CATV truyền thống

Head

end

Cáp fidơ

Cáp thuê bao

Cáp trung kế

Thuê

Thuê bao

Chú thích

Pad

Bộ khuếch

đại Spliter

Tap

4

- Thu các chương trình (ví dụ từ NBC, CBS, và các mạng cáp như MTV& ESPN)

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

- Kết hợp tất cả các tần số vào một kênh đơn tương tự băng rộng (ghép FDM)

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

Mức tín hiệu suy hao tỷ lệ với bình phương tần số trung tâm khi truyền qua cáp trục (cáp trung kế, cáp fidơ và cáp thuê bao) Do vậy tín hiệu ở tần số càng cao suy hao càng nhanh so với tần số thấp Đó là lý do tại sao các nhà cung cấp mong muốn ít kênh Mức tín hiệu cũng bị suy giảm khi đi qua các bộ Spliter và Tap

Trên đường đi của tín hiệu, các bộ khuếch đại tín hiệu được đặt ở các khoảng cách phù hợp để khôi phục tín hiệu bị suy hao Các bộ khuếch đại được cấp nguồn nhờ các bộ cấp nguồn đặt rải rác trên đường đi của cáp, các bộ nguồn này được nuôi từ mạng điện sở tại Các bộ khuếch đại xa nguồn được cấp nguồn cũng chính bằng cáp đồng trục: dòng điện một chiều được cộng chung với tín hiệu nhờ bộ cộng Đến các bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ được tách riêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại

Vì các kênh tần số cao tín hiệu suy hao nhanh hơn, nhất là trên khoảng cách truyền dẫn dài, các kênh tần số cao cần có mức khuếch đại cao hơn so với các kênh tần số thấp Do

đó cần phải cân bằng công suất trong dải tần phát tại 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 đềulớn Do vậy tại nhà thuê bao gần headend cần một thiết bị thụ động làm suy giảm bớt mức tín hiệu gọi là Pad

5

Các hệ thống cáp đồng trục cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu của TV Mặc

dù nhiều vùng tín hiệu truyền hình vô tuyến quảng bá thu được có chất lượng khá tốt nhưng CATV vẫn được lựa chọn phổ biến vì khả năng lựa chọn nhiều chương trình Tuy nhiên mạng toàn cáp đồng trục có một số nhược điểm sau:

Mặc dù đạt được 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 độ cao

Dung lượng kênh của hệ thống không đủ để đáp ứng cho phát vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS

Truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, nên cần phải đặt nhiều

bộ khuếch đại tín hiệu trên đường truyền

Các hệ thống cáp đồng trục thiếu độ tin cậy

Mức tín hiệu (chất lượng tín hiệu) sẽ không đủ đáp ứng cho số lượng lớn các thuê bao

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 rất khó.Để giải quyết các nhược điểm trên, các nhà cung cấp cùng đi tới ý tưởng sử dụng cáp quang thay cho cáp trung kế đồng trục Toàn hệ thống sẽ có cả cáp quang và cáp đồng trục gọi là mạng lai giữa cáp quang và đồng trục (mạng lai HFC) Yêu cầu đối với hệ thống quang tương tự là duy trì sự tương thích với các thiết bị cáp kim loại hiện có

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

- Mạng truyền dẫn (Transport segment)

- Mạng phân phối (Distribution segment)

6

- 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 sơ cấp có chức năng thu/phát quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tín hiệu 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 được chuyển thành tín hiệu điện tại các node quang để truyền đến thuê bao Ngược lại trong trường hợp mạng 2 chiều, tín hiệu điện từ mạng truy nhập sẽ được thu tại node quang và chuyển thành tín hiệu quang để truyền đến Hub về headend

Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục, các thiết bị thu phát cao tần có nhiệm vụ truyền tải các tín hiệu cao tần RF giữa node quang và các thiết bị thuê bao Thông thường bán kính phục vụ của mạng con truy nhập tối đa khoảng 300m

- Hoạt động của mạng:

Tín hiệu Video tương tự cũng như số từ các nguồn khác nhau như: Các bộ phát đáp

vệ tinh, nguồn quảng bá mặt đất, Video sever được đưa tới headend trung tâm Tại đây tín hiệu được ghép kênh và truyền đi qua Ring sợi đơn mode (SMF) Tín hiệu được truyền từ headend trung tâm tới thông thường là 4 hoặc 5 Hub sơ cấp Mỗi Hub sơ cấp cung cấp tín hiệu cho khoảng hơn 150.000 thuê bao Có khoảng 4 hoặc 5 hub thứ cấp và headend nội

Mạng truyền dẫn

(backbone)

Mạng phân phối Mạng truy nhập

Hình 1.5 Kiến trúc mạng HFC

7

hạt, mỗi hub sơ cấp chỉ cung cấp cho khoảng 25000 thuê bao Hub thứ cấp được sử dụng

để phân phối phụ thêm các tín hiệu video tương tự hoặc số đã ghép kênh với mục đích giảm việc phát cùng kênh video tại các headend sơ cấp và thứ cấp khác nhau Các kênh số

và tương tự của headend trung tâm có thể cùng được chia sẻ sử dụng trên mạng backbone Mạng backbone được xây dựng theo kiến trúc Ring sử dụng công nghệ SONET/SDH hoặc một số công nghệ độc quyền

Trong mạng SONET/SDH, tín hiệu Video tương tự được số hoá, điều chế, ghép kênh TDM và được truyền ở các tốc độ khác nhau từ OC-12/STM-4 (622 Mb/s) tới OC-48/STM-16 (2448 Mb/s) Ở đây sử dụng kỹ thuật ghép kênh thống kê TDM để tăng độ rộng băng tần sử dụng Ghép kênh thống kê TDM thực 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 tương thích với chuẩn SONET/SDH, tuỳ theo các giao diện mạng Dung lượng node quang được xác định bởi số lượng thuê bao mà nó cung cấp tín hiệu Node quang có thể là node cỡ nhỏ với khoảng 100 thuê bao hoặc cỡ lớn với khoảng 2000 thuê bao

1.3.2 Ưu và nhược điểm của mạng HFC

- Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu, mạng HFC sẽ sử dụng các ưu điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: Dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóa học tốt

- Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong 2 cửa sổ bước sóng quang là 1310 nm và 1550 nm Đây là 2 cửa sổ có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0,3 dB/km với bước sóng 1310 nm và 0,2 nm với bước sóng 1550 nm Trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại suy hao thấp nhất cũng phải mất 43 dB/km tại tần số 1 GHz

- Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ từ môi trường dẫn đến đảm bảo được chất lượng tín hiệu trên đường truyền Được chế tạo từ các chất trung tính là Plastic và thủy tinh, các sợi quang là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học dẫn đến tuổi thọ của sợi cao

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

8

Trước đây các mạng con truy nhập thường 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 Theo kinh nghiệm của các nhà điều hành mạng cáp của châu Âu và châu Mỹ, trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và các thiết bị ghép nguồn cho chúng Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng, vì thế việc định vị, sửa chữa thông thường không thể thực hiện nhanh được nên ảnh hưởng đến chất lượng 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 ngược dòng dẫn đến độ ổn định của mạng giảm

1.4 Tiêu chuẩn truyền dẫn trong mạng truyền hình cáp

Các tiêu chuẩn chính đối với truyền hình cáp tương tự trong hệ thống TH Cáp của Đài THVN:

- Hệ truyền hình mầu: PAL

- Hệ tiếng: B/G, súng mang tiếng cách sóng mang hình 5,5 MHz

- Băng thông cho 1 kênh 8 MHz

- Dải tần phát sóng truyền hình tương tự: 170 MHz đến 700 MHz

- Bảng kênh: được tính từ kênh đầu tiên có tần số sóng mang là 175, 25 MHz

- Tần số cao nhất 860 MHz

- Tỷ số S/N 55 dB

- Công suất tín hiệu đến đầu vào của TV 65 - 70 dBµV

- Hệ thống sử dụng các thiết bị 2 chiều Chiều truyền về có dải thông 8 - 65 MHz

- Tần số các kênh nằm trong các dải V,S,U

9

CHƯƠNG 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 hình quảng

bá lên tín hiệu trung tần (IF) của hệ thống truyền hình cáp (hay còn gọi 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 kênh truyền hình cần thu

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

5/ Khối combiner là khối kết hợp kênh hay còn gọi là khối ghép kênh nó có chức năng ghép các kênh truyền hình thu được từ truyền hình quảng bá và từ vệ tinh vào một dải tần đường xuống (65MHz ~ 862MHz) của hệ thống truyền hình cáp theo phương thức ghép kênh theo tần số (FDM)

6/ Khuếch đại RF là bộ khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi đưa vào bộ chia tín hiệu cao tần để vào máy phát

7/ Máy phát quang có chức năng chuyển đổi từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang

và ghép nó vào sợi quang để truyền đi

Sợi quang Cáp đồng trục

Hình 2.1 Trung tâm Headend

IS

IS

IS

IS

11

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của Headend

Các chương trình quảng bá mặt đất (VTV1, VTV2, VTV3, …) được thu qua các anten VHF (very hight friquency), mỗi một kênh truyền hình được thu qua một anten riêng, các kênh truyền hình thu được sau đó đưa vào khối chuyển đổi từ tín hiệu cao tần

RF thành tín hiệu trung tần IF (upconverter) Lúc này tín hiệu thu được từ mỗi anten là một dải tần bao gồm kênh tín hiệu cần thu và các kênh tín hiệu khác lọt vào (ví dụ: anten VHF cần thu kênh VTV3 nhưng trong tín hiệu thu được có cả các kênh khác như HTV, VTV2) Tín hiệu trung tần chung này được đưa qua bộ lọc trung tần để lọc lấy kênh tín hiệu cần thu (VTV3) Mỗi bộ lọc trung tần được 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 hiệu này sẽ được đổi lên tần số RF qua bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu RF nằm trong dải tần đường xuống của mạng CATV Sau đó tín hiệu RF này được đưa vào bộ kết hợp (combiner 16:1) để ghép kênh với các kênh tín hiệu khác theo phương thức ghép kênh theo tần số (FDM: Friquency Division Multiplexing)

Các tín hiệu vệ tinh được thu qua anten parabol là các tín hiệu truyền hình bao gồm nhiều kênh ghép lại với nhau, để tách các kênh này ra thành các kênh độc lập thì chúng được chia thành nhiều đường bằng các bộ chia vệ tinh Sau đó mỗi đường sẽ được đưa vào bộ thu vệ tinh (downconverter) để chuyển từ tần số cao thành tần số thấp, tín hiệu ra khỏi bộ thu là tín hiệu A/V Đây chưa phải là tín hiệu mà CATV cần nên sau đó chúng được đưa vào bộ chuyển đổi A/V thành IF.Tín hiệu ra là tín hiệu IF trộn cả Audio và Video Tín hiệu trung tần này vẫn là sự kết hợp của nhiều kênh tín hiệu , để lấy ra một kênh theo yêu cầu thì chúng được đưa qua bộ lọc trung tần giống như khi thu các chương trình truyền hình quảng bá và tín hiệu ra là kênh tín hiệu cần thu Các kênh này tiếp tục được đưa vào bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu RF nằm trong dải tần CATV Sau đó được đưa vào combiner 16:1 để ghép kênh với các kênh truyền hình khác thu từ vệ tinh

và các kênh truyền hình quảng bá trong dải tần đường xuống (70MHz ~ 862MHz) Tín hiệu ra là tín hiệu RF đã ghép kênh bao gồm nhiều kênh được ghép lại với nhau Tín hiệu này đã có thể đưa vào máy thu hình của thuê bao giải mã và xem được, nhưng để truyền

đi xa và theo nhiều hướng khác nhau thì nó được đưa vào bộ khuếch đại để khuếch đại lên

12

sau đó chia ra bằng bộ chia tín hiệu cao tần (bộ chia ký hiệu ISV hoặc IS) Tín hiệu sau bộ chia mỗi đường được đưa vào một máy phát quang, tại đây tín hiệu RF được chuyển thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang để truyền đến thuê bao qua mạng HFC

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang

2.2.1 Cấu tạo

Máy phát quang bao gồm 3 khối chính như sau:

+ Bộ lập mã có chức năng chuyển các mã đường truyền khác nhau (RZ, NRZ, AMI…) thành mã đường truyền thích hợp trên đường truyền quang, thường là mã Manchester

+ Bộ điều khiển có chức năng chuyển tín hiệu vào biểu diễn theo áp thành tín hiệu biểu diễn theo dòng phù hợp với nguồn laser Vì nguồn laser chỉ làm việc với tín hiệu dòng

+ Nguồn quang trong trường hợp này dùng nguồn laser loại phân bố phản hồi (DFB) để nâng cao chất lượng tín hiệu Có các loại nguồn quang thường dùng sau:

a/ Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – perot

Laser dioe có cấu trúc dị thể kép như LED , nhưng có khả năng khuếch đại Để đạt được mục đích này thường dùng khoang cộng hưởng Fabry-perot, bằng cách mài nhẵn hai đầu dị thể kép thành hai gương phản xạ như hình 3.2a Cấu trúc này của laser diode được viết tắt là FP-LD

Bộ lập

mã Bộ điều khiển

Nguồn quang

Hình 2.2 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu quang

Tín hiệu

vào

Tín hiệu quang ra

Ip

13

Khoảng cách hai gương trong laser diode Fabry-perot là L các gương này có khả năng tạo ra hồi tiếp tích cực, tức là sự quay lại của các photon kích thích trong vùng hoạt tính sẽ kích thích nhiều photon hơn Ánh sáng đi ra ngoài qua hai gương phản xạ

Xét điều kiện khuếch đại trong laser diode Fabry-perot: một sóng truyền từ gương bên trái tới gương bên phải, như hình 3.3b Tại gương bên phải, sóng này sẽ phản xạ và tiếp tục truyền như thế Dạng sóng này gọi là sóng đứng Để trong buồng cộng hưởng chỉ

có sóng với bước sóng ổn định thì nó phải là sóng đứng Yêu cầu vật lý này có thể được viết như sau:

Để thoả mãn điều kiện cộng hưởng, hai gương phản xạ phải cách nhau một khoảng

là L bằng số nguyên lần nửa bước sóng

Quá trình phát xạ của FP-LD được thực hiện khi một vài bước sóng cộng hưởng nằm trong đường cong khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn hơn suy hao, như trong hình 2.3c

(c)

Hình 2.3 Laser Fabry-perot: (a) Cấu tạo của khoang cộng

hưởng; (b) Hình thành sóng đứng trong khoang cộng hưởng; (c)

Phổ phát xạ của FP-LD

15

b/ Laser diode DFB (Distributed FeedBack)

Nguyên lý hoạt động của laser DFB là sư dụng hiện tượng phản xạ Bragg vào mục đích nén các mode bên trong và chọn lọc tần số Trong thiết bị này buồng cộng hưởng Fabry-perot được thay thế bằng cách tử nhiễu xạ (Hình 3.5)

Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc tuần hoàn chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép là truyền ngược nhau Để hiện tượng giao thoa sóng xảy ra thì sau một chu kỳ của cách tử pha của sóng phải thay đổi 2πm, trong đó m là số nguyên, được gọi là bậc nhiễu xạ Bragg tức là:

2πm = 2Λ2πneff

Với neff là chiết suất hiệu dụng của mode (neff≈ 3,4 đối với bước sóng 1550nm InGaAsP laser) Λ là chu kỳ cách tử, hệ số 2 xuất hiện trong biểu thức trên vì ánh sáng phải phản xạ hai lần để trùng pha với pha của sóng tới

Nếu điều kiện (3.2) không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ từ cách tử sẽ giao thoa triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là sóng không thể lan truyền đi được Khi m = 1 thì bước sóng λBđược gọi là bước sóng Bragg bậc 1 và:

Đặc tuyến P-I của laser được thể hiện như trong hình 3.4 và chức năng điều chế tín hiệu tương tự được thể hiện như trong hình3.6a và điều chế tín hiệu số được thể hiện như trong hình 3.6b Ở đây logic 0 tương ứng với trạng thái tối và logic 1 tương ứng với trạng thái sáng của ánh sáng laser Một tín hiệu thay đổi thẳng từ giá trị dưới ngưỡng đến giá trị trên ngưỡng của đặc tuyến laser (dòng bơm)

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy phát

Tín hiệu cao tần RF qua bộ lập mã (nếu là tín hiệu số thì nó sẽ được chuyển đổi mà đường truyền hiện tại thành mã đường truyền thích hợp cho đường truyền quang thường

là mã Manchester) sau đó tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển để chuyển tín hiệu điện áp thành tín hiệu dòng bơm thích hợp cho nguồn laser và nguồn laser có chức năng chuyển tín hiệu điện đó thành tín hiệu ánh sáng và ghép vào sợi quang qua bộ nối

Hình 2.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán DFB

P

Λ

Lớp tiếp xúc Cách tử

Lớp tiếp xúc

Vùng hoạt tính

n

17

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của node quang

1 - Sơ đồ khối của node quang 4 cổng ra:

2 - Cấu tạo của node quang bao gồm các khối cơ bản sau:

(01) Khối thu quang có chức năng thu tín hiệu từ tuyến đến và sau đó chuyển thành tín hiệu cao tần (RF)

(02) Khối khôi phục tín hiệu: khối này bao gồm các bộ chia tín hiệu, bộ suy hao (pad), bộ khuếch đại, chúng có chứ năng lần lượt là chia đều tín hiệu cho các cổng khác, điều chỉnh mức tín hiệu phù hợp với yêu cầu đầu ra và khuếch đại tín hiệu

(03) Khối khuếch đại công suất trước khi đưa ra đầu ra

(04) Khối Diplexer ba cổng: có chức năng rẽ tín hiệu đường xuống và đường lên Tín hiệu

có đường xuống sẽ đi theo cổng H (Hight) còn đường lên sẽ theo cổng L (Low)

(05) Là các bộ rẽ tín hiệu (trích tín hiệu ra ) để kiểm tra

18

(06) Là khối kết hợp (Combiner) tín hiệu từ hai cổng theo hướng lên (Hướng trở về trung tâm)

TP (Test Point): là đầu kiểm tra,tại mỗi đầu ra sẽ có một đầu kiểm tra tín hiệu được trích

ra bằng khối chia tín hiệu

3 Nguyên lý hoạt động của node quang

Tín hiệu quang tại đầu vào được chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) qua điốt quang điện vào bộ khuếch đại, tín hiệu cao tần (RF) được chia đều thành hai hướng vào hai khối tương tự nhau Tại đây tín hiệu được khôi phục lại nhờ bộ cân chỉnh và khuếch đại lên đưa vào bộ chia, tín hiệu lại tiếp tục được chia thành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra cổng Tín hiệu hướng xuống đi qua khối Diplexer sẽ đi qua cổng H ra cổng ra Còn tín hiệu cao tần hướng lên (đi từ phía thuê bao) sẽ đi qua cổng L vào khối Combiner và được kết hợp với tín hiệu đến từ các cổng khác qua bộ lọc, bộ lọc

sẽ lọc lấy khoảng tín hiệu trong băng tần hướng lên (5MHz ÷ 65MHz) sau đó được khuếch đại và được đưa vào khối phát quang Tại đây tín hiệu cao tấn (RF) sẽ được chuyển thành tín hiệu quang qua điôt điện quang để truyền về trung tâm trên các sợi cáp hướng lên

4 Chức năng của node quang

Chức năng chính của node quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu cao tần (RF) và ngược lại Đồng thời nó cũng khuếch đại tín hiệu và cân chỉnh lại tín hiệu tương tự như tín hiệu tại máy phát Vì tín hiệu khi truyền trên sợi quang bị suy hao và các xung bị giãn ra do hiện tượng tán sắc của sợi quang mà đặc biệt là truyền trên sợi đơn mode nên sự ảnh hưởng này lại càng lớn Chúng làm suy giảm chất lượng tín hiệu vì vậy cần cân chỉnh và khuếch đại Tín hiệu vào của node quang nằm trong khoảng –2.5dBm ÷ +2dBm và tín hiệu ra thông thường của một node quang trong khoảng 108dBµV Khoảng bước sóng hoạt động là từ 1270 ÷1550nm, trong truyền hình cáp dùng cửa sổ quang 1310nm để có suy hao trên sợi quang thấp

2.4 Ghép công suất quang

Việc ghép công suất ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang phải xét đến khẩu độ

số NA, kích cỡ sợi, cường độ phát xạ và phân bố công suất theo góc của nguồn quang

PF: là công suất được ghép vào sợi quang

PS: là công suất phát ra từ nguồn quang

η phụ thuộc vào loại sợi gắn vào nguồn và vào xử lý ghép (có sử dụng thấu kính ghép hoặc các biện pháp năng cao hiệu suất ghép hay không) Hình 3.12 thể hiện góc phát

xạ tia sáng của nguồn quang vào sợi quang và góc nhận ánh sáng (cũng chính là khẩu độ

số NA) của sợi quang

Trong mạng truyền hình cáp thực tế thì việc ghép tín hiệu từ nguồn quang vào sợi hay ghép giữa các sợi quang với nhau có thể dùng cả hai phương pháp là dùng một dây nhảy hay còn gọi là dây đuôi lợn (pigtail) nó bao gồm một đoạn cáp quang ngắn và một connector và dùng mối hàn trực tiếp

Dùng dây nhảy thì tiện lợi cho việc lắp đặt, sửa chữa và chuyển tuyến sau này nhưng nó lại có suy hao lớn (suy hao tính cho một kết nối hoàn chỉnh từ sợi phát sang sợi thu là 0.8dB/kết nối) Còn hàn trực tiếp thì mối hàn đó sẽ cố định không thay đổi, không sửa chữa được nhưng lại có suy hao nhỏ hơn (khoảng 0.05dB/mỗi hàn)

Góc nhận của sợi

20

khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi các tác động từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sống quang và các mạch khuyếch đại ,tái tạo tín hiệu hợp thành.Ngoài ra tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang conector, cỏc mối hàn,cỏc bộ chia quang và cỏc bộ lặp

2.5.1 Các sợi quang

Sợi dẫn quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, có chức năng lan truyền ánh sáng theo hướng song song với trục của nó Cấu trúc của nó gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thuỷ tinh có chiết suất n1, bao quang lõi là lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2< n1.Vỏ phản xạ có thể là thuỷ tinh hoặc chất dẻo trong suốt Để tránh cọ trầy sước vỏ và tăng độ bền cơ học, sợi dẫn quang thường đựoc bọc thêm một lớp chất dẻo Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Bộ phát quang

Các thiết bị khác

Thu quang

Mạch điện

Phát quang

Mối hàn sợi

Tín hiệu

đầu vào

Đầu thu quang

Chuyển đổi tín hiệu

Khuếch đại

Tín hiệu đầu ra

Bộ thu quang

Hình 2.8 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫnquang