LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH CÁP

Giới thiệu chi tiết về công nghệ truyền hình cáp HFC

Hơn một thập kỷ qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trên mọi lĩnh vực thì công nghệ truyền hình cũng đã có nhiều bước nhảy vọt quan trọng Truyền hình số là bước phát triển tất yếu của công nghệ truyền hình và là bước quan trọng trong việc thay đổi chất lượng của truyền hình để đạt tới mức hoàn thiện cao Cùng với truyền hình số, người sử dụng sẽ không chỉ đơn thuần nghĩ đến khải niệm “truyền hình” là cung cấp các chương trình TV có độ nét cao, thu được nhiều chương trình trên một kênh truyền hình thông thường mà cũng có thể giúp họ tiếp cận được với nhiều loại hình dịch vụ phong phú và thuận tiện khác nữa.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại Việt nam về truyền hình số, đầu tiên là để tiếp cận với công nghệ mới, nhằm phân tích, đánh giá các ưu nhược điểm của các hệ, các tiêu chuẩn trong mối quan hệ phức hợp để từ đó có được

sự lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp nhất cho truyền hình nước ta theo quan điểm kết hợp

cả về kỹ thuật, kinh tế và hoàn cảnh xã hội

Luận văn cao học với đề tài "Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền

hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD" bao gồm các nghiên cứu

lý thuyết về cấu trúc mạng truyền hình cáp, đưa ra các đánh giá lựa chọn cấu trúc và thiết kế tối ưu mạng truyền hình cáp hữu tuyến phù hợp với điều kiện ở nước ta, đồng thời đưa ra các cấu hình mạng cụ thể khi truyền dịch vụ mới trên mạng truyền hình cáp

Trong thời gian hoàn thành luận văn của mình tôi đã nhận được sự giúp đỡ chỉ

bảo quý báu của Thầy giáo - PGS.TS Phạm Minh Việt và các Thầy cô cùng bạn

bè trong khoa Công nghệ Điện tử – Thông tin, Viện Đại học Mở Hà nội Với sự kính trọng của mình tôi xin chân thành cảm ơn

Do trình độ và thời gian hoàn thành luận án có hạn nên không tránh khỏi các sơ suất về nội dung cũng như hình thức, để hoàn thiện nội dung của đề tài này chắc cũng phải bổ sung rất nhiều, kính mong sự giúp đỡ của các độc giả

Hà nội, ngày 09 tháng 09 năm 2012

Học viên thực hiện

Phần I MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HỮU TUYẾN

I Giới thiệu chung về mạng truyền hình cáp

Hệ thống truyền hình cáp xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40 Các

hệ thống này được gọi là truyền hình anten chung hay CATV (Community Antenna Television) Mục tiêu ban đầu của truyền hình cáp là phân phát các chương trình quảng bá tới những khu vực do các điều kiện khó khăn về địa hình không thể thu được bằng các ăng ten thông thường, gọi là vùng lõm sóng Nói đến truyền hình cáp

có hai loại là truyền hình cáp vô tuyến và truyền hình cáp hữu tuyến

1 Truyền hình cáp vô tuyến MMDS (Multiprogram Multipoint Distribution System)

Sử dụng môi trường truyền sóng là sóng viba tại dải tần 900Mhz Tuy triển khai mạng MMDS rất đơn giản do chỉ dùng anten mà không cần kéo cáp đến từng nhà nhưng nó có rất nhiều nhược điểm:

- Hạn chế vùng phủ sóng: Do sử dụng dải tần 900 Mhz, MMDS đòi hỏi angten thu và phát phải nhìn thấy nhau Vì vậy với những hộ gia đình ở sau các vật cản lớn như các tòa nhà thì không thể thực hiện được

- Chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu công nghiệp: Do sử dụng phương thức điều chế tín hiệu truyền hình tương tự không có khả năng chống lỗi, lại truyền bằng sóng

vô tuyến, tín hiệu MMDS bị ảnh hưởng rất mạnh bởi các nguồn nhiễu công nghiệp

- Chịu ảnh hưởng bởi thời tiết: Khi thời tiết xấu, ví dụ như mưa to, sét v.v tín hiệu MMDS vô tuyến bị suy hao rất lớn trong không gian, dẫn đến giảm mạnh chất lượng tín hiệu hình ảnh

- Yêu cầu dải tần số vô tuyến quá lớn: Mỗi kênh truyền hình cần một dải tần là 8Mhz, nếu muốn cung cấp 13 kênh truyền hình thì cần một dải thông là 13 x 8= 104 MHz Đây là một dải tần vô tuyến lớn trong khi nguồn tài nguyên vô tuyến là rất quí giá

- Gây can nhiễu cho các đài phát vô tuyến khác: Mặc dù được phần phối một dải tần riêng, nhưng máy phát MMDS cũng như các máy phát vô tuyến khác luôn sinh ra các tần

số hài bậc cao có thể ảnh hưởng đến các trạm phát sóng vô tuyến khác

- Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số

- Không thể cung cấp các dịch vụ hai chiều

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 2

Chính vì những khó khăn trên, MMDS đã không được phát triển một cách rộng rãi

2 Truyền hình cáp hữu tuyến

Truyền hình cáp hữu tuyến là hệ thống mà tín hiệu truyền hình được dẫn thẳng

từ trung tâm chương trình đến hộ dân bằng một sợi cáp (đồng trục, cáp quang hoặc cáp xoắn) Nhờ đó người dân có thể được xem các chương trình truyền hình chất lượng cao mà không phải sử dụng các cột angten Về góc độ kĩ thuật truyền hình cáp hữu tuyến có những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền hình khác:

- Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp: Tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến được dẫn đến thuê bao qua các sợi cáp quang hoặc đồng trục Các sợi cáp này có khả năng chống nhiễu công nghiệp cao hơn gấp nhiều lần so với tín hiệu vô tuyến, vì thế

sẽ hạn chế tối đa nhiễu công nghiệp, đảm bảo chất lượng cho tín hiệu

- Không bị ảnh hưởng của thời tiết: Các chương trình truyền hình trên cáp sẽ không chịu ảnh hưởng của thời tiết do khả năng cách ly và chống nhiễu tốt của cáp

- Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: Là một mạng thông tin hữu tuyến riêng biệt, mạng truyền hình cáp được xây dựng sẽ cho phép cung cấp hàng chục chương trình truyền hình mà không chiếm dụng cũng như ảnh hưởng đến phổ tần số

vô tuyến đã chật chội, điều này càng trở nên quí giá khi càng ngày các đài phát thanh truyền hình mắt đất càng tăng số lượng chương trình phát sóng

- Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác: Các tín hiệu truyền trên các sợi cáp được cách ly và chống nhiễu tốt sẽ không gây ra nhiễu vô tuyến cho các trạm phát vô tuyến khác

- Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác: Dải thông lớn của mạng truyền hình cáp hữu tuyến sẽ cho phép không chỉ cung cấp các dịch vụ truyền hình tương tự mà còn cho phép cung cấp nhiều các chương trình truyền hình số, truyền hình tương tác và đặc biệt là khả năng cung cấp các dịch

vụ viễn thông hai chiều, truy cập Internet, truyền số liệu tốc độ cao mà một mạng viễn thông cũng khó mà đạt được

Trong phạm vi của luận án chỉ nói đến mạng truyền hình cáp hữu tuyến

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 3

II Vị trí các mạng truyền hình cáp và xu hướng phát triển

Từ nhiều nhiều thập kỉ trước, mạng viễn thông được cấu thành bởi các thành phần riêng biệt Thông thường, mạng viễn thông có thể được chia thành các nhóm như sau:

- Mạng truyền hình cộng đồng (Community Antenna Network-CATV)

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

- Mạng thoại công cộng PSTN

Các nhóm này thực sự là các mạng độc lập vì chúng cung cấp các dịch vụ chuyên biệt mà các mạng khác không thực hiện được Do vậy mạng CATV không cung cấp cho thuê bao thoại hoặc các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và các mạng PSTN cũng không cung cấp các dịch vụ Video số hoặc tương tự quảng bá Giữa những năm

90, có 2 ảnh hưởng mạnh mẽ đã đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi diện mạo toàn mạng:

- Đầu tiên, việc truy nhập Internet dễ dàng và chi phí thấp đã mở ra siêu lộ thông tin cho nhiều thuê bao và các doanh nghiệp thực hiện thương mại điện tử, mua sắm trực tuyến, quảng cáo, và các thông tin về dịch vụ dễ dùng, nhanh chóng và miễn phí khác

- Thứ hai là do việc ban hành đạo luật về viễn thông năm 1996 của Mỹ (U.S Telecommunications Act) cho phép các công ty thoại (nội hạt và đường dài), các nhà cung cấp dịch vụ không dây, hữu tuyến, quảng bá có thể thâm nhập vào lĩnh vực mà mình không phụ trách Người ta đã nghĩ đến sự kết hợp 3 mạng viễn thông trong một mạng băng rộng để có thể cung cấp nhiều dịch vụ thông tin và giải trí

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 4

Các mạng

Các mạng thoại

Các mạng băng rộng

Hình I.1 Hội tụ mạng HFC, mạng máy tính và mạng PSTN.

Các mạng CATV đã trải qua các giai đoạn phát triển từ mạng tương tự quảng

bá một chiều đồng trục tới mạng HFC tương tác 2 chiều truyền tải các kênh Video tương tự/ số và dữ liệu tốc độ cao Mạng đồng trục băng rộng kiến trúc cây và nhánh truyền thống được hỗ trợ bởi công nghệ RF phục vụ tốt các dịch vụ quảng bá và các dịch vụ điểm-đa điểm Dùng nhiều bộ khuếch đại (30-40), có thể làm giảm chất lượng và tính năng của kênh Video AM-VSB, làm giảm thị hiếu của khách hàng Việc sử dụng các kết nối vi ba mặt đất đã giảm số lượng các bộ khuếch đại, cải thiện được hiệu năng truyền dẫn các kênh quảng bá tương tự

Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ sợi quang từ cuối những năm 80 đã khiến cho công nghiệp truyền hình cáp phát triển mạnh mẽ Sự ra đời của laser điều chế trực tiếp DM-DFB 550 MHz và các bộ thu quang hoạt động ở dải bước sóng 1310

nm đã làm thay đổi kiến trúc truyền thống mạng cáp đồng trục Mạng HFC cho phép truyền dẫn tin cậy các kênh Video tương tự quảng bá qua sợi đơn mode SMF tới các node quang, do đó số lượng các bộ khuếch đại RF đã được giảm đi rất nhiều Ngoài

ra, các nhà khai thác còn thực hiện triển khai thiết bị headend sử dụng các Ring sợi quang để kết nối giữa headend trung tâm và các headend thứ cấp hoặc các Hub tại những vị trí quan trọng Do vậy, có thể hạ giá thành và cải thiện hơn nữa chất lượng

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

Sự phát triển của nhiều thiết bị quan trọng như: Các bộ điều chế QAM, các bộ thu QAM giá thấp, các bộ mã hóa và giải mã tín hiệu Video số, cho phép các nhà khai thác cáp cung cấp thêm khoảng 10 dịch vụ Video số mới trong các kênh Video AM/VSB dùng với STB số Việc triển khai nhanh chóng mạng HFC 750 MHz và một

số dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng cạnh tranh truy nhập và nhiều loại hình kinh doanh cho khách hàng tại các thị trường quan trọng

Vào giữa thập kỷ 1990, kiến trúc mạng HFC đã bắt đầu có hướng phát triển mới Cuộc cách mạng này là do những áp lực sau của thị trường:

- Bùng nổ nhu cầu truy nhập dữ liệu tốc độ cao trong các khu vực dân cư

- Nhu cầu chuyển phát các dịch vụ số tương tác

- Gia tăng cạnh tranh từ nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các nhà cung cấp dịch vụ DBS

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 5

- Sự tiến bộ trong công nghệ sợi quang, đặc biệt là laser và bộ thu quang và quản lý mạng cáp.

Những nhu cầu và áp lực của thị trường đã tác động tới các nhà khai thác cáp xem lại kiến trúc mạng HFC hiện tại và tiến tới mạng truy nhập CATV DWDM (Dense Wavelengh Division Multiplex)

III Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến

Mạng truyền hình cáp hữu tuyến bao gồm 3 thành phần chính:

- Hệ thống thiết bị trung tâm

- Hệ thống mạng phân phối tín hiệu

- Thiết bị thuê bao

1 Hệ thống thiết bị trung tâm (Headend System)

Hệ thống thiết bị trung tâm là nơi cung cấp, quản lí chương trình cho hệ thống mạng truyền hình cáp Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tin giám sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển mạng Với các hệ thống hiện đại có khả năng cung cấp các dịch vụ tương tác, truyền số liệu, hệ thống thiết bị trung tâm con có thêm các nhiệm vụ như: Mã hóa tín hiệu quản lí truy nhập, tính cước truy nhập, giao tiếp với các hệ thống mạng viễn thông như mạng Internet

2 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 Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến

có nhiệm vụ nhận tín hiệu 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, cáp nguồn và phân phối tín hiệu truyền hình đến tận thiết bị của thuê bao Hệ thống mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến chất lượng dịch vụ, khoảng cách phục vụ, số lượng thuê bao và khả năng mở rộng và nâng cấp mạng

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 6

Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi trong việc phân phối các chương trình truyền hình Đương kính chuẩn của cáp là 0.5; 0.75; 0.875 và 1inch Trở kháng đặc tính của cáp là 75 Ω Tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền theo chiều dài của cáp Lượng suy giảm phụ thuộc vào đường kính cáp, tần số tín hiệu, hệ số sóng đứng và nhiệt độ.

Để có thể phân phối được tín hiệu đi xa, trên đường truyền người ta sử dụng các bộ khuếch đại để bù lại sự suy hao, các bộ khuếch đại này đóng vai trò quan trọng khi thiết kế hệ thống Mỗi bộ khuếch đại còn chứa một bộ ổn định để bù lại sự suy giảm ở các tần số khác nhau

Trong truyền hình cáp thường sử dụng bộ khuếch đại cầu Với trở kháng vào lớn, tín hiệu từ đường trung chuyển có thể được lấy ra mà không ảnh hưởng đến chất lượng của toàn bộ kênh truyền Yêu cầu đối với một bộ khuếch đại ổn định là rất nghiêm ngặt, do có sự tích lũy độ suy hao của rất nhiều thành phần mắc nối tiếp:

- Chúng phải làm việc được trên một phạm vi dải tần số rộng, hệ số khuếch đại phải đạt được giá trị thích hợp tại các miền tần số cao

- Bộ ổn định có khả năng bù lại suy giảm theo tần số một cách thỏa đáng

- Bộ khuếch đại có đặc tuyến tuyến tính cao, để tránh xuyên âm và tạo ra các tần số giữa các kênh

- Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số để bù lại sự thay đổi do nhiệt độ

- Tỉ số giữa tín hiệu trên nhiễu của một bộ khuếch đại riêng phải đủ cao để chống được mức nhiễu tầng của các bộ khuếch đại

Các mạch khuếch đại đường dây chia đương trục ra thành nhiều đoạn có chiều dài khác nhau và độ suy giảm tại tần số cao nhất bằng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Bộ ổn định được cộng thêm vào nhằm làm giảm độ khuếch đại ở tần số thấp hơn vì ở tần số càng cao độ suy giảm càng lớn Như vậy độ khuếch đại của mỗi đoạn trung chuyển gồm cả bộ khuếch đại ổn định là 0 dB

Một hệ thống cáp có nhiều tầng khuếch đại được mắc nối tiếp Sự thay đổi hệ

số khuếch đại hay đặc tuyến tần số của một thành phần sẽ gây ra sự thay đổi lớn của toàn hệ thống Để duy trì sự ổn định của hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số, một tín hiệu pilot được cộng vào ở đầu và cuối mỗi dải băng tần Các tín hiệu này sẽ là

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 7

các tín hiệu chuẩn để theo đó các tham số của đặc tuyến tần số và hệ số khuếch đại được duy trì ổn định.

3 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 modem cáp Các thiết bị này có nhiệm vụ thu tín hiệu và đưa đến tivi và các máy tính

để thuê bao sử dụng các dịch vụ của mạng: chương trình tivi, truy nhập Internet, truyền dữ liệu

IV Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp

Có nhiều phương án để thiết lập một mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến:

- Mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp đồng trục (mạng truyền thống)

- Mạng có cấu trúc lai giữa cáp quang và cáp đồng trục HFC (Hybrid Fiber/Coaxial)

- Mạng có cấu trúc kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng xoắn

- Mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp quang

1 Mạng toàn cáp đồng trục

Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp đồng trục có cấu hình chủ yếu là hình cây(hình 3) Các chương trình thu được từ vệ tinh hoặc viba tại headend Headend thực hiện nhiệm vụ:

- Thu các chương trình từ vệ tinh

- Chuyển đổi từng kênh tần số RF mong muốn, thực hiệ xáo trộn kênh khi có yêu cầu

- Thực hiện ghép kênh( FDM) thành một kênh đơn tương tự băng rộng và phát quảng bá xuống cho các thuê bao

Hệ thống mạng truyền dẫn bao gồm các thân cáp chính (trunk), các nhánh cáp phụ rẽ ra từ các thân cáp chính (feeder) và phần cáp kết nối từ cáp nhánh đến thuê bao

hộ gia đình (drop) Các thân cáp chính (trunk) truyền dẫn tín hiệu, khuếch đại và phân chia tín hiệu ra các cáp nhánh (feeder) bằng các thiết bị chia tín hiệu (Splitter) Tín hiệu

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 8

đưa đến thuê bao được trích ra từ các cáp nhánh nhờ bộ trích tín hiệu (tap) và truyền đến thuê bao qua các cáp thuê bao.

Hình I.3 Kiến trúc mạng CATV truyền thống.

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 lấy tín hiệu

từ mạng điện sở tại Các bộ khuếch đại xa nguồn được cấp nguồn cũng chính bằng sợi cáp đồng trục dòng đến các bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ được tách riêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại

Vì tín hiệu suy hao tỉ lệ với khoảng cách truyền dẫn nên để cung cấp cho các thuê bao ở xa thì cần phải khuếch đại tín hiệu ở mức cao, làm cho cả mức tín hiệu và méo đều lớn Do vậy tại thuê bao ở gần Headend cần có một thiết bị thụ động để làm suy giảm bớt mức tín hiệu gọi là Pad

Các hệ thống cáp đồng trục cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu của TV, cấu trúc mạng chủ yếu được dùng để truyền tín hiệu tương tự, các thiết bị mạng đơn

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 9

Đầu cuối Khuếch

Nguồn điện áp

giản, sẵn có, giá thành thấp Tuy nhiên mạng toàn cáp đồng trục có một số nhược điểm sau:

- Các hệ thống thuần túy cáp trục không thể thỏa mãn các dịch vụ băng rộng tốc độ cao

- Do truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, dẫn đến cần phải đặt nhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đường truyền, dẫn đến các chi phí khác kèm theo: nguồn cấp cho bộ khuếch đại, công suất tiêu thụ của mạng tăng lên.v.v dẫn đến chi phí cho mạng lớn

- Do sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu để bù suy hao cáp, nhiễu đường truyền tác động vào tín hiệu và nhiễu nội bộ của bộ khuếch đại được loại bỏ không hết và tích tụ trên đường truyền, nên càng xa trung tâm chất lượng tín hiệu càng giảm, 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 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 kết hợp cáp quang và đồng trục (HFC)

2 Mạng HFC (Hybrid Fiber/ Coaxial)

2.1 Kiến trúc mạng

Mạng HFC (Hybrid Fiber/Coaxial Network) là mạng kết hợp cáp quang và

cáp đồng trục, sử dụng đồng thời cáp quang và cáp đồng trục để truyền và phân phối tín hiệu Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các node quang là cáp 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 (Access segment)

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 10

Hub thứ cấp

Thuê bao

Node quang

Hình I 4 Kiến trúc mạng HFC.

2.1.1 Mạng truyền dẫn:

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

2.1.2 Mạng phân phối tín hiệu

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

2.1.3 Mạng truy nhập

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 300 m

2.2 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 hạt, mỗi hub thứ cấp chỉ cung cấp cho khoảng 25000

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 11

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 xẻ 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

Các đặc điểm của SONET/SDH được 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 nguyên lần tốc độ này

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

2.3 Ưu điểm của mạng HFC

Mạng HFC có những ưu điểm sau:

- Sử dụng cáp quang để truyền dẫn tín hiệu, mạng HFC sẽ tận dụng được các

ưu điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: dải thông rất lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóa học tốt Với các sợi quang sản xuất với công nghệ hiện đại hiện nay cho phép truyền các tín hiệu có tần số lên đến hàng trăm Tetra Hezt (1014 - 1015 Hz) Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầu dải thông đường truyền mà không phương tiện truyền dẫn nào có thể có được

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

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 12

này cho thấy với bước sóng 1550 nm, năng lượng tín hiệu quang chỉ bị suy hao 0,2

dB khi truyền trên 1 km, trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại có 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 vì thế tuổi thọ của sợi quang cao

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

Trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và các thiết bị ghép nguồn Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng, vì thế việc định vị sửa chữa và khắc phục chúng thông thường không thể thực hiện nhanh được làm ảnh hưởng đến chất lượng phục vụ của mạng Với mạng truy nhập đồng trục tích cực, khi cung cấp dịch vụ hai chiều, các bộ khuếch đại cần tích hợp phần tử khuếch đại tín hiệu cho các tín hiệu ngược dòng, tức là số lượng phần tử tích cực của mạng tăng lên dẫn đến độ ổn định của mạng càng giảm Hiện nay xu hướng trên thế giới đang chuyển dần sang sử dụng mạng truy nhập thụ động, tại đó không sử dụng bất kì một thiết bị tích cực nào, tức là bộ khuếch đại cao tần sẽ không được sử dụng mà chỉ có các bộ chia tín hiệu, các bộ ghép hướng và các bộ trích tín hiệu thụ động Một mạng HFC chỉ sử dụng các thiết bị cao tần thụ động được gọi là mạng HFC thụ động (HFPC - Hybrid Fiber/Passive Coaxial) Sử dụng mạng truy nhập thụ động hoàn toàn

sẽ tạo ra những ưu điểm lớn sau:

- Do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu mà hoàn toàn chỉ sử dụng các thiết bị thụ động cho nên tín hiệu đến thuê bao sẽ không ảnh hưởng của nhiễu tích tụ

do các bộ khuếch đại, dẫn đến nâng cao chất lượng tín hiệu

- Các sự cố mạng sẽ giảm rất nhiều khi sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động, dẫn đến tăng độ ổn định và chất lượng phục vụ của mạng

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

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

Tuy nhiên, việc triển khai mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động cũng có những nhược điểm sau:

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 13

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

- Do không kéo cáp đồng trục đi xa, số lượng thuê bao có thể phục vụ bởi một nút quang sẽ giảm đi Để có thể phục vụ số lượng thuê bao lớn như khi sử dụng các

bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang đến gần thuê bao hơn và tăng số nút quang lên dẫn đến tăng chi phí rất lớn

3 Mạng có cấu trúc kết hợp cáp quang và cáp xoắn đồng

Với mạng kiểu này, cáp quang thực hiện nhiệm vụ truyền tín hiệu từ trung tâm đến các nút quang tại khu vực thuê bao, từ nút quang đến thuê bao sẽ là cáp đồng xoắn điện thoại bình thường

Cấu trúc mạng này có ưu điểm là sử dụng mạng sẵn có của bưu điện để truyền tín hiệu truyền hình, do đó không cần đầu tư mới tiết kiệm chi phí ban đầu

Thực tế hiện nay tín hiệu truyền hình được truyền trên cáp đồng xoắn được truyền theo công nghệ DSL (Digital Subcriber Line) DSL là công nghệ được phát triển nhằm truyền số liệu tốc độ cao trên đôi cáp đồng trục đã có sẵn Công nghệ DSL bao gồm ba kĩ thuật: HDSL (Hight - Speed DSL), ADSL (Asynmetrical DSL), VDSL (Very Hight Bit Rate DSL) Đặc tính của các kĩ thuật này được mô tả trong bảng 1

Kỹ thuật Tốc độ bít hướng lên

(Upstream)

Tốc độ bít hướng xuống (Downstream)

Khoảng cách phục vụ (km)

Điện thoại, Internet, truyền hình hội nghị, VOD, HDTV

Bảng I.1 Các đặc tính kĩ thuật của các công nghệ họ xDSL

Khi triển khai mạng truyền hình cáp bằng phương án kết hợp cáp quang và cáp đồng xoắn sẽ gặp những khó khăn sau:

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 14

- Không thể truyền được tín hiệu truyền hình tương tự vì để truyền một kênh truyền hình tương tự yêu cầu độ rộng băng thông là 6 MHz với hệ NTSC và 8 MHz với hệ PAL.

- Chỉ có thể truyền được tín hiệu truyền hình số có nén và chỉ truyền được 2 đến 3 kênh truyền hình Để khắc phục điều này, người ta chỉ gửi đi kênh truyền hình được yêu cầu Như vậy thuê bao không thể cùng một lúc xem được nhiều kênh với nhiều máy thu

- Nếu triển khai mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng xoắn, rõ ràng hoàn toàn phải dựa vào hệ thống mạng viễn thông bưu điện dẫn đến không thuận lợi và linh hoạt trong quá trình triển khai và điều hành mạng

4 Mạng toàn cáp quang

Một mạng truyền dẫn quang hóa hoàn toàn từ nhà cung cấp dịch vụ đến tận thuê bao là mơ ước của mọi nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cũng như viễn thông nói chung do các ưu điểm tuyệt vời của cáp quang Tuy nhiên khi triển khai một mạng như thế sẽ phải đầu tư ban đầu rất lớn và gặp nhiều khó khăn khác

V Truyền dẫn tín hiệu trên mạng truyền hình cáp

Tín hiệu cung cấp cho hệ thống truyền hình cáp được lấy từ nhiều nguồn khác nhau: Từ hệ thống truyền hình quảng bá mặt đất, từ vệ tinh, từ vi ba hoặc được cung cấp trực tiếp từ bộ phận sản xuất chương trình Tất cả các tín hiệu đó trước khi truyền vào mạng cáp phân phối được xử lí theo sơ đồ khối hình 5

Đầu tiên, các tín hiệu truyền hình ở nhiều dạng điều chế khác nhau được giải điều chế, giải mã để đưa về mã cơ sở Các tín hiệu này cùng các byte đồng bộ được chuyển thành định dạng khung chuẩn chuẩn MPEG-2 Theo chuẩn MPEG-2 thì dòng

dữ liệu video được chia thành các gói tin có kích thước 188 bytes, trong đó có 1 byte đồng bộ và 187 bytes thông tin

Khối Out Coding có nhiệm vụ tạo thêm các thông tin sửa lỗi cho các gói tin, thường sử dụng mã Read-Solomon Khi sử dụng mã sửa sai Reed-Solomon với T=8 thì mỗi gói tin được thêm vào 16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa được 8 bytes lỗi trong mỗi gói tin Như vậy kích thước của mỗi gói bao gồm cả phần sửa lỗi là 28-1=

255 bytes, trong đó phần mang tin là 255-16=239 bytes, nhưng kích thước của một gói tin video chỉ có 188 bytes cho nên trước khi vào bộ mã hóa mỗi gói tin được thêm vào

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 15

51 bytes được đặt giá trị toàn bằng 0 Sau khi đã mã hóa xong 51 bytes này lại bị loại

bỏ, như vậy sau mã hóa kích thước mỗi gói tin video là 204 bytes

Do mã sửa sai Reed-Solomon cũng chỉ sửa được các lỗi rời rạc lên tiếp theo dòng bít được ghép xen để hạn chế khả năng sai, lỗi ở một dãy bít liên tiếp gây khó khăn cho việc sửa lỗi ở đầu thu Sơ đồ nguyên lí chung của việc ghép xen ngoại với

độ sâu l=12 được minh họa trong hình I.6

Bộ ghép gồm 12 nhánh, được kết nối theo kiểu vòng với các byte số liệu bằng chuyển mạch đầu vào Mỗi nhánh j sẽ là một thanh ghi dịch First in-First out, với j x

M ô nhớ Trong đó: M = 17 = N/I, N = 204 byte, mỗi ô của thanh ghi dịch chứa một byte Trong trường hợp này là ghép xen các bytes với nhau, chu kỳ ghép xen đúng bằng 204

Khối Baseband Shaping có nhiệm vụ chia dòng tín hiệu thành hai tín hiệu I và

Q (In-phase, Quadrature phase) để tiến hành điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Sau cùng, tín hiệu đã được điều chế này được đưa vào mạng cáp truyền dẫn để chuyển đến thuê bao

Truyền hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông cận dưới của băng UHF Các kênh truyền hình cáp được chia thành các băng VHF thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (superband) Căn cứ vào dải thông hay số lượng

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 16

Data

Clock

Baseband Physical

Interface and

Syn

Baseband Physical

Interface and

Syn

Energy Dispersal

Energy

Coding

Outer Coding

Interleaver I=12

Interleaver I=12

Waveform Shaping

Waveform Shaping

QAM Modulator

IE Physical Interface

QAM Modulator

IE Physical Interface

Cable Network

Hình I.5 Quá trình xử lí tín hiệu.

kênh mà người ta chia làm các hệ thống nhỏ, vừa hay lớn Bảng 2 chỉ ra một cách phân chia các hệ thống.

Hình I.6 Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại.

Toàn bộ dải thông của hệ thống được chia thành các kênh vô tuyến có kích thước 8 MHz theo tiêu chuẩn của Châu Âu hoặc 6 MHz theo tiêu chuẩn Bắc Mĩ Sở

dĩ có hai cách chia là để cho mỗi kênh có thể mang được một kênh truyền hình tương

tự, mà ở Châu Âu thì truyền hình tương tự theo tiêu chuẩn PAL có dải thông 8 MHz còn ở Bắc Mĩ và Nhật Bản truyền hình tương tự theo tiêu chuẩn NTSC có dải thông

là 6 MHz Tất nhiên trong mỗi kênh này có thể truyền một kênh truyền hình tương tự hoặc nhiều kênh truyền hình số

Phân loại hệ thống Dải thông Phạm vi tần số hoạt động

Bảng I.2 Phân loại các hệ thống truyền hình cáp

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 17

1 Truyền dẫn tín hiệu tương tự

Dải thông cần thiết để truyền một kênh truyền hình tương tự theo tiêu chuẩn PAL là 8 MHz, đúng bằng dải thông một kênh trong hệ thống kênh của truyền hình cáp Truyền dẫn tín hiệu truyền hình tương tự trên mạng có ưu điểm là giảm chi phí thuê bao Để thu được tín hiệu truyền hình tương tự, thuê bao chỉ cần một máy thu bình thương, nối đường cáp với đầu nối angten và điều chỉnh máy thu của mình thu ở dải tần của kênh được phát Như vậy các thuê bao không phải đầu tư thiết bị ban đầu khi lắp đặt truyền hình cáp Tuy nhiên, các hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến tương

tự có một số nhược điểm sau:

- Trong thực tế, các bộ lọc thông dải trong các thiết bị điều chế tín hiệu truyền hình cáp tương tự không đạt được đặc tuyến lý tưởng, dẫn đến tín hiệu của một kênh chương trình này vẫn gây nhiễu sang các kênh liền kề, dẫn đến giảm chất lượng hình ảnh khi phát nhiều kênh chương trình

- Do khả năng chống nhiễu của phương thức điều chế tín hiệu tương tự kém nên nhiễu tác động vào tín hiệu trên đường truyền sẽ không thể loại bỏ được ở máy thu, dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu

- Không thể thực hiện các dịch vụ truyền hình tương tác, truyền hình độ phân giải cao (HDTV)

2 Truyền dẫn tín hiệu số

Sự phát triển của kĩ thuật số và công nghệ thông tin, cũng đã tạo ra cuộc cách mạng thực sự trong kĩ thuật phát thanh - truyền hình, đó là sự ra đời các chuẩn truyền dẫn truyền hình số Sự ra đời của các chuẩn truyền dẫn truyền hình số đã tạo ra những ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền dẫn và phát tín hiệu truyền hình tương tự:

- Khả năng chống nhiễu cao: Quá trình điều chế tín hiệu truyền hình số bao

gồm việc xáo trộn dữ liệu (bit-Interleaving, byte-Interleaving), các khâu này giúp cho

khả năng: khi có nhiễu đường truyền tác động vào các nhóm bít hoặc nhóm byte, do các bít trong nhóm bị lỗi không nằm cạnh nhau thực sự trong luồng thông tin, dẫn đến số lượng bit bị lỗi trong một nhóm bit thông tin thực tế rất ít, điều này làm cho ảnh hưởng của nhiễu giảm xuống rất nhiều so với các tín hiệu truyền hình tương tự

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 18

- Có khả năng phát hiện và sửa lỗi: phương pháp mã hóa bít đặc biệt (mã hóa Reed-Solomon, mã hóa vòng xoắn- Veterbi), và khả năng ghép thêm các bít để phát hiện lỗi bít và tự sửa đổi trước khi truyền tín hiệu truyền hình số làm cho các dòng bit tín hiệu truyền hình số có thể tự phát hiện và sửa đổi, điều này tín hiệu truyền hình tương tự không thể làm được.

- Chất lượng chương trình trung thực: Do cả khả năng chống nhiễu, phát hiện

và tự sửa lỗi tốt, tại phía thu tín hiệu truyền hình số sẽ được khôi phục hoàn toàn, giúp cho hình ảnh phía thu hoàn toàn trung thực như phía phát

- Tiết kiệm phổ tần và kinh phí đầu tư: Bằng cách sử dụng công nghệ nén tín hiệu MPEG-2 và phương thức điều chế tín hiệu số có mức điều chế cao (QPSK,QAM,16QAM, 64QAM, 256QAM…), dải tần 8Mhz của một kênh truyền hình tương tự hệ PAL có thể tải được 4-8 chương trình truyền hình số với chất lượng cao, điều này nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số và tiết kiệm cho phí đầu tư cũng như chi phí vận hành bảo dưỡng thiết bị khi muỗn phát nhiều chương trình

- Khả năng thực hiện truyền hình tương tác, truyền số liệu và truy nhập Internet: truyền hình số ra đời mở ra một lựa chọn mới cho việc truyền số liệu và Internet Việc truyền số liệu kèm theo các chương trình truyền hình cho phép thực

- Hiện dễ dàng các dịch vụ truyền hình tương tác (truyền hình theo yêu cầu VOD, Web TV ) nhờ các kênh dữ liệu điều khiển từ hướng thuê bao đến các nhà cung cấp dịch vụ

VI Các thành phần của hệ thống truyền hình cáp

1 Cáp đồng trục

Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi cho việc phân phối các chương trình truyền hình Hình I.7 vẽ sơ đồ cấu trúc của một loại cáp đồng trục sử dụng cho CATV Phần vỏ của dây dẫn trong thường là chất đồng, với điện trở nhỏ sẽ thuận lợi cho việc truyền dòng điện với cường độ cao Nhôm được sử dụng cho vỏ ngoài và phần lõi của dây dẫn trong do ưu điểm về khối lượng Vật liệu giữa hai lớp thường là nhựa Giữa lõi và phần ngoài có các túi không khí để làm giảm khối lượng và tránh

sự thấm nước Ngoài cùng là một lớp vỏ bọc chống các tác động cơ học

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 19

Đường kính tiêu chuẩn của cáp là 0.5; 0.75; 0.875 và 1inch Trở kháng đặc tính của cáp là 75Ω Tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền theo chiều dài của cáp Lượng suy giảm phụ thuộc vào đường kính cáp, tần số, hệ số sóng đứng và nhiệt độ

Hình I.7 Cấu tạo của cáp đồng trục.

1.1 Suy hao do phản xạ

Suy hao do phản xạ là đại lượng được đo bằng độ khác biệt của trở kháng đặc tính cáp so với giá trị danh định Nó bằng tỉ số giữa công suất tới trên công suất phản xạ

L r (dB) = 10 log(P i /P r ) dB (I.1)

Khi trở kháng thực càng gần với giá trị danh định, công suất phản xạ càng nhỏ

và suy hao phản xạ càng nhiều Khi phối hợp lí tưởng ta có P r = 0; L r = ∞ Tuy nhiên

trong thực tế, giá trị L r vào khoảng 28 ÷ 32 dB Nếu suy hao phản xạ quá nhỏ, phản hồi sẽ xuất hiện trên đường dây và sẽ tạo nên tín hiệu có tiếng ù

1.2 Trở kháng vòng

Công suất cho các đường khuếch đại để bù lại suy giảm trên đường truyền thường được cung cấp bởi dòng một chiều hoặc xoay chiều điện áp thấp truyền trong cáp theo tần số RF Do mức điện áp thấp, thông thường khoảng 45 V, trở kháng vòng, là trở kháng phối hợp của dây dẫn trong và ngoài của cáp là một đặc tính quan trọng Dòng điện này chảy qua trong toàn bộ tiết diện của cáp, và vì vậy, trở kháng của dây dẫn trong đối với nó sẽ cao

Có 3 loại cáp đồng trục khác nhau được sử dụng trong mạng cáp phân phối:

Cáp trung kế có đường kính từ 0,5 đến 1inch dùng truyền tín hiệu bắt đầu từ node quang Tổn hao truyền dẫn đối với loại cáp 1 inch là 0,89 dB ở tần số 50 MHz và

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 20

Líp vá nhùa

Vỏ bọc nhôm

Lớp bọc nhựa

Dây dẫn trong (đồng bọc nhôm)

3,97 dB ở tần số 750 MHz (tính với 100 m cáp) Cáp fidơ được sử dụng nối giữa các

bộ khuếch đại đường dây và các bộ chia tín hiệu, còn cáp thuê bao có đường kính nhỏ hơn cáp fidơ dùng để kết nối từ các bộ chia tới thiết bị đầu cuối thuê bao

2 Các bộ khuếch đại và ổn định

Bộ khuếch đại đường truyền bù lại suy giảm tín hiệu, nó đóng vai trò quan trọng khi thiết kế hệ thống Mỗi bộ khuếch đại có chứa một bộ ổn định để bù lại suy giảm ở các tần số khác nhau

Trong hệ thống truyền hình cáp thường sử dụng bộ khuếch đại cầu Với trở kháng vào lớn, tín hiệu từ đường trung chuyển có thể được lấy ra mà không ảnh hưởng đến chất lượng của toàn bộ kênh truyền Yêu cầu đối với bộ khuếch đại ổn định là rất nghiêm ngặt, do có sự tích luỹ độ suy hao của rất nhiều thành phần mắc nối tiếp:

- Chúng phải làm việc được trên một phạm vi dải tần số rộng, hệ số khuếch đại phải đạt được giá trị thích hợp tại các miền tần số cao

- Bộ ổn định có khả năng bù lại suy giảm theo tần số một cách thoả đáng

- Bộ khuếch đại có đặc tuyến tuyến tính cao, để tránh xuyên âm và tạo ra các tần số giữa các kênh

- Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số để bù lại sự thay đổi do nhiệt độ

- Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của một bộ khuếch đại riêng phải đủ cao để chống được mức nhiễu tầng của các bộ khuếch đại

Các mạch khuếch đại đường dây chia đường trục ra thành nhiều đoạn có chiều dài khác nhau và độ suy giảm tại tần số cao nhất bằng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Bộ ổn định được cộng thêm vào nhằm làm giảm độ khuếch đại ở các tần số thấp hơn, như vậy độ khuếch đại của mỗi đoạn trung chuyển gồm cả bộ khuếch đại ổn định là

0 dB

Một hệ thống cáp có nhiều tầng khuếch đại được mắc nối tiếp Sự thay đổi hệ

số khuếch đại hay đặc tuyến tần số của một thành phần sẽ gây ra sự thay đổi lớn của toàn bộ hệ thống Để duy trì sự ổn định của hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số, một tín hiệu pilot được cộng vào ở đầu và cuối mỗi dải băng tần Các tín hiệu này sẽ là

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 21

các tín hiệu chuẩn để theo đó các tham số của đặc tuyến tần số và hệ số khuếch đại được duy trì ổn định.

Có 3 loại bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng CATV tùy thuộc vào vị trí của chúng

- Bộ khuếch đại trung kế

- Bộ khuếch đại cầu

- Bộ khuếch đại đường dây dải rộng

2.1 Bộ khuếch đại trung kế

Bộ khuếch đại trung kế được đặt tại điểm khi suy hao lên tới 20-22 dB tính từ

bộ khuếch đại trước đó, mức đầu ra thông thường khoảng 30-36 dBmV Hình I.8 minh hoạ sơ đồ khối đơn giản của một bộ khuếch đại trung kế

Hình I.8 Sơ đồ khối đơn giản bộ khuếch đại trung kế.

Ưu điểm của bộ khuếch đại trung kế là cho mức CNR cao với méo phi tuyến thấp đặc biệt là với các kênh truyền hình tần số cao (> 300 MHz) Vì cáp đồng trục có tổn hao phụ thuộc vào tần số nên biên độ tín hiệu video phát đi cần phải được giữ cân bằng nhằm duy trì sự đồng đều trong toàn vùng phổ tín hiệu RF đã phát Các bộ giữ cân bằng đường xuống được thiết kế để bù cho các đoạn cáp đồng trục độ dài cố định Bằng cách tăng suy hao ở tần số thấp, bộ cân bằng cho phép các bộ khuếch đại trung

kế duy trì mức khuếch đại phù hợp với từng khoảng tần số trong phổ tín hiệu truyền dẫn Ngoài ra, một số bộ khuếch đại trung kế còn được trang bị bộ cân bằng dự đoán trước (Bode Equalizer) để bù tổn hao cáp gây ra do sự thay đổi của nhiệt độ

Các bộ khuếch đại trung kế thường dùng mạch tự điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC) Khoảng điều khiển chênh lệch mức khuếch đại thường trong khoảng 6-10

dB Các khối AGC trong bộ khuếch đại trung kế tách tín hiệu mẫu của các kênh pilot

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 22

Tín hiệu ra

tại đầu ra bộ khuếch đại, tín hiệu mẫu này thường được dùng để tạo ra mức điện áp phù hợp để điều khiển mức khuếch đại (Gain) và độ dốc (Slope) đặc tuyến của bộ khuếch đại Các tần số pilot chuẩn khác nhau đối với từng nhà sản xuất Tất cả các loại bộ khuếch đại trong truyền hình cáp đều dùng một số mạch khuếch đại đẩy kéo

để giảm thiểu hài méo bậc hai

2.2 Bộ khuếch đại Fidơ

Được sử dụng không chỉ để truyền những kênh tín hiệu video tới các bộ khuếch đại trung kế mà còn chia tín hiệu tới các fidơ cáp khác nhau (thường là 4 cáp fidơ) Mức tín hiệu ra thường trong khoảng 40-50 dBmV (cao hơn 12 dB so với bộ khuếch đại trung kế) Tuy nhiên, đầu ra có méo phi tuyến mức độ cao hơn so với bộ khuếch đại trung kế

2.3 Bộ khuếch đại đường dây dải rộng

Các bộ khuếch đại đường dây được đặt ở phía gần thuê bao, khoảng cách giữa

video phát đi cũng như duy trì sự đồng đều trong toàn dải tần tín hiệu, tối đa chỉ sử dụng 2 ÷ 4 bộ khuếch đại đường dây, tùy thuộc vào số lượng Tap giữa các bộ khuếch đại đường dây dải rộng Trong các hệ thống CATV 2 chiều có sử dụng một thiết bị

lọc đặc biệt là bộ lọc diplexer (hình I.9) cho phép tách riêng tín hiệu đường lên và

đường xuống Tại các hệ thống truyền hình cáp tại Bắc Mỹ, các kênh tín hiệu đường lên được đặt ở dải tần số 5-42 MHz Dải tần tín hiệu đường xuống là 52-860 MHz Diplexer có độ cách ly giữa các dải tần khoảng 60 dB

Diplexer là thiết bị có 3 cổng: Cổng H, cổng L, cổng chung C Đường từ cổng chung C tới cổng thấp L là một bộ lọc thông thấp cho phép tín hiệu đường lên ở băng tần thấp hơn được phát đi Đường từ cổng chung C tới cổng cao H là một bộ lọc thông cao cho phép phát các kênh tín hiệu đường xuống Trong một bộ khuếch đại đường dây (khuếch đại trung kế và khuếch đại cầu) các tín hiệu đường xuống chuyển qua cổng H, tín hiệu đường lên chuyển qua cổng L

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 23

2.4 CNR của một bộ khuếch đại đơn và nhiều bộ khuếch đại nối tiếp

Một trong những thông số quan trọng nhất đánh giá hiệu năng truyền dẫn của hệ thống CATV là tỉ lệ sóng mang trên nhiễu (CNR) CNR của một bộ khuếch đại đơn được tính theo công thức :

Giá trị 59,16 dBmV là nhiễu nhiệt trong dải tần 4 MHz;

F(dB) là tạp âm nhiệt của bộ khuếch đại.

Tạp âm nhiệt thông thường đối với các bộ khuếch đại trung kế thường trong khoảng 7-10 dB với mức tín hiệu vào là +10 dBmV và hệ số khuếch đại 20 dB

Hình I.10 Sơ đồ N bộ khuếch đại nối tiếp.

Trong trường hợp có N bộ khuếch đại khác nhau liên tiếp Giả sử bộ khuếch đại thứ N có tạp âm nhiệt F N và hệ số khuếch đại G N như trong hình I.10

Tạp âm nhiệt của toàn hệ thống được tính :

N

n G G G

F G

G

F G

F F F

1

11

2 1 2

1

3 1

2 1

−+

+

−+

−+

Hình I 9 Minh họa đơn giản một diplexer.

Trường hợp đơn giản nhất là tất cả các bộ khuếch đại RF là giống nhau thì CNR của toàn hệ thống tính theo công thức:

CNR N = CNR - 10log(N) (I.4)

Ví dụ nếu một hệ thống CATV có 4 bộ khuếch đại nối tiếp với CNR của một

bộ khuếch đại là 56 dB thì CNR của toàn hệ thống sau bộ khuếch đại thứ 4 sẽ là 50

dB

nhau được tính theo công thức :

] 10

10 10

log[

10 )

số cực cao, đồng thời một ưu thế nữa của hệ thống cáp quang chính là độ rộng dải thông rất lớn Với dải thông này có thể truyền đi các tín hiệu số nói chung (tín hiệu truyền hình số nói riêng) một cách hiệu quả, ngoài ra hệ thống quang còn có thể sử dụng truyền các tín hiệu tương tự

Sơ đồ khối nguyên lý cơ bản của hệ thống cáp quang được trình bày trên hình I.11 Một nguồn quang, LASER hay một đèn LED, được điều chế bằng tín hiệu hình cần truyền đi Tín hiệu quang được truyền đi trong sợi quang đến đầu thu, nơi có bộ cảm quang, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 25

Hình I.11 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang.

Không giống với hệ thống truyền tín hiệu điện từ, không cần phải điều chế tín hiệu tại các bộ lặp, hệ thống quang cần thực hiện điều chế tại các bộ lặp Tuy nhiên điều này được thực hiện dễ dàng với tín hiệu số Với tín hiệu tương tự thì vấn đề trở nên phức tạp hơn

3.1 Giới thiệu cáp sợi quang:

Khi có hai lớp vật chất có chiết suất khác nhau được đặt kề nhau, qua ranh giới giữa hai lớp vật chất đó, ánh sáng truyền qua sẽ bị lệch về hướng của vật chất có chiết suất lớn hơn Trường hợp góc tới của tia sáng đạt tới một giới hạn nhất định thì

có hiện tượng phản xạ toàn phần Khi đó, toàn bộ tia sáng chiếu từ miền vật chất có chiết suất lớn hơn tới ranh giới sẽ bị phản xạ lại hoàn toàn

Theo nguyên lý đó người ta chế tạo ra các loại sợi quang có thể truyền các tín hiệu dạng ánh sáng trong đó Sợi quang dẫn được cấu tạo từ một sợi thuỷ tinh được bao bọc bằng một lớp thủy tinh có chiết suất bé hơn Bên ngoài là vỏ bọc để tránh khỏi các nguồn gây nhiễu Khi một tia sáng đi vào sợi quang với một góc hẹp so với trục của sợi quang, sẽ bị phản xạ liên tục cho tới khi truyền đến đầu cuối của sợi

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 26

Phát quang

Bộ nối quang Mối hàn sợi

Bộ thu quang

lõi dây thép ống đồng

vỏ nhựa

dây thép sợi cáp quang

chất xốp, mềm

vỏ nhựa

Hỡnh I.12 Cấu trỳc sợi quang.

Cú hai loại cỏp quang: Cỏp quang đơn mode và cỏp quang đa mode Cỏp quang đơn mode cú chỉ số bước (hỡnh I.12) Cỏp quang đa mode cú chỉ số phức tạp hơn, vỡ nú phụ thuộc dải thụng và đặc tuyến tần số của sợi cỏp Đường kớnh của sợi quang phụ thuộc vào mode của nú Đối với sợi quang đơn mode thường cú đường kớnh từ 7 ữ10 àm, trong khi lừi của sợi quang đa mode là từ 50 ữ 85 àm

Cỏp quang gồm một hay nhiều bú cỏc sợi quang nhỏ được bảo vệ bằng một lớp vỏ kim loại hay nhựa để chống lại cỏc tỏc động cơ học Với cấu trỳc này, cỏp quang cú thể truyền được dung lượng thụng tin rất lớn

3.2 Suy giảm trong sợi quang

Tớn hiệu điện được biến đổi thành tớn hiệu quang và đưa vào một đầu sợi quang, tớn hiệu quang truyền đi trong trong sợi quang nhờ sự phản xạ tại lớp phõn cỏch Trong quỏ trỡnh truyền tớn hiệu, một phần năng lượng của ỏnh sỏng bị tiờu hao

Sự tiờu hao này do nhiều nguyờn nhõn: do quỏ trỡnh hấp thụ năng lượng của bản thõn vật liệu và sự hấp thụ do cỏc tạp chất cú trong sợi quang; do sự khụng đồng nhất về chất liệu trong quỏ trỡnh chế tạo Vỡ vậy, trong hệ thống truyền cần cú cỏc thiết bị cho phộp bự lại phần năng lượng mất mỏt này, nhất là đối với cỏc đường truyền cú khoảng cỏch lớn

Nghiờn cứu, thiết kế cấu trỳc mạng truyền hỡnh cỏp nhằm đỏp ứng truyền số liệu, internet, VOD 27

Hệ số khúc xạ

Đa mode

Đơn mode

Lõi

Vỏ Dường đi của tia sáng

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

10.0 8.0 6.0 4.0

2.0

1.0 0.8 0.6 0.4

0.2

0.1

đa mode

đơn mode

1982

1979

1976

Hỡnh I.13 Sợi đơn mode và đa mode.

Cả cỏp quang đơn mode và cỏp quang đa mode đều chịu ảnh hưởng của sự suy hao Đồ thị hỡnh I.13 cho thấy sự suy hao trong sợi quang Đối với cỏp quang đơn

dài đường truyền cú thể tăng cụng suất nguồn và sử dụng loại sợi quang cú độ suy hao thấp Một tham số quan trọng của cỏp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước súng Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước súng tồn tại ba vựng mà tại đú cú suy hao thấp hay cũn gọi là cỏc vựng cửa sổ,

là cỏc vựng bước súng 850 nm, 1300 nm, 1550 nm Cỏc hướng nghiờn cứu về cụng nghệ sợi quang cho biết rằng, suy hao sợi quang ở cỏc vựng cú bước súng dài hơn cũn nhỏ hơn nữa Giỏ trị suy hao sợi nhỏ nhất cú được ở vựng bước súng 2550 nm trờn sợi Fluoride đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/km

3.3 Tỏn xạ

Tỏn xạ trong sợi quang là nguyờn nhõn gõy ra sự thay đổi độ rộng xung ở đầu

ra so với đầu vào Sự khỏc nhau về thời gian tới của cỏc tia sỏng hay sự khỏc nhau giữa cỏc thành phần tần số sẽ xuất hiện hiện tượng tỏn xạ Tỏn xạ làm giảm độ rộng băng truyền hay cự li đường truyền Quan hệ giữa dải thụng và độ rộng xung được cho bởi biểu thức:

B = 0,44/τ; (I.6) Trong đú: B là dải thụng; τ là độ rộng xung

Nghiờn cứu, thiết kế cấu trỳc mạng truyền hỡnh cỏp nhằm đỏp ứng truyền số liệu, internet, VOD 28

Hình I.14 Suy giảm trong sợi quang.

Dải thông của cáp quang đa mode, xác định bằng các mode tán xạ, là một hàm phụ thuộc bước sóng và chỉ số khúc xạ, hình I.15 Các thông số này có thể điều chỉnh

để thay đổi chỉ số khúc xạ đạt giá trị lớn nhất, và vận tốc truyền là nhỏ nhất đối với đường truyền ngắn nhất

Hình I.15 Dải thông sợi quang.

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 29

3.4 Nguồn quang

Trong các hệ thống quang dẫn, có thể sử dụng điốt laser hay điốt bức xạ LED làm nguồn tín hiệu Điốt laser có đặc điểm là bức xạ của nó có tính bền vững, duy trì bước sóng và pha tín hiệu bức xạ theo thời gian

Để thực hiện xây dựng các hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông có tốc độ cao và cự ly truyền dẫn xa, người ta phải sử dụng các điốt laser có độ rộng phổ rất hẹp, đó là các laser đơn mode Đối với hệ thống truyền hình cáp, laser phản hồi phân tán (DFB- Ditribution Feedback) được sử dụng cho các kênh đường xuống, còn Laser Fabry- Perot dùng cho các kênh đường lên

Bảng I.3 tóm tắt các tính năng yêu cầu đối với laser DFB điều chế trực tiếp

dùng cho các kênh AM/QAM đường xuống truyền dẫn trong mạng truyền hình cáp

Bảng I.4 tóm tắt các tính năng yêu cầu đối với laser bán dẫn FP điều chế trực tiếp dùng cho các kênh QPSK/16QAM đường xuống truyền dẫn trong mạng truyền hình cáp Các tín hiệu quang được phát ở bước sóng 1310 nm hoặc 1550 nm

Bảng I.3 Tóm tắt các đặc tính yêu cầu của laser DFB điều chế trực tiếp cho

đa kênh AM / QAM đường xuống

Thiết bị cảm biến thường dùng có tên gọi là bộ cảm biến ánh sáng Photodetector Thiết bị này có độ nhạy cao đối với tín hiệu quang Độ nhạy của đầu thu đối với tín hiệu quang dẫn được tính theo biểu thức:

P r = (n p Bhc)/l; (I.7)

h = 6,625 10-34J.s là hằng số Plank;

c là vận tốc ánh sáng;

P r là công suất thu được nhỏ nhất;

n p là số photon thu nhận trong một xung

Bảng I.4 Đặc điểm của laser đường lên.

Cáp quang được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu tương tự cũng như cho tín hiệu số Đối với tín hiệu tương tự, do hiện tượng nhiễu tích luỹ, nên cự ly đường truyền ngắn Tuy nhiên sử dụng tín hiệu tương tự có ưu điểm về tính kinh tế, do không cần có các bộ biến đổi A/D và D/A Đối với tín hiệu tương tự thường sử dụng phương pháp điều biên Tín hiệu hình sẽ thực hiện điều chế biên độ nguồn tín hiệu quang Phương thức điều tần chỉ sử dụng trong trường hợp có nhiều tín hiệu hình cần được truyền đi trên một đường truyền dẫn quang Khi đó thực hiện nhân kênh phân chia tần số, thường gọi FDM-FM

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 31

Tín hiệu số là dạng tín hiệu phù hợp với đường truyền dẫn quang Do chất lượng tín hiệu ít phụ thuộc đường truyền, nên có thể thực hiện truyền trong khoảng cách xa với các trạm bù Thông thường sử dụng phương pháp điều xung mã PCM để điều chế nguồn tín hiệu.

Cáp quang có nhiều ưu điểm nổi bật trong việc truyền dẫn tín hiệu số thể hiện

ở những điểm: Băng tần rộng, cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ bit cao Độ suy giảm thấp trên một đơn vị chiều dài Độ suy giảm giữa các sợi quang dẫn cao, và thời gian trễ qua cáp quang thấp

Với những đặc điểm trên, cáp quang có thể truyền tín hiệu truyền hình số trong thời gian thực với chất lượng cao Để truyền tín hiệu video số bằng cáp quang, cần phải sử dụng mã kênh truyền Tín hiệu video sau khi được biến đổi sang dạng số được mã hoá bằng mã sơ cấp Tín hiệu mã này chưa thể truyền được trong một khoảng cách xa Việc sử dụng mã kênh truyền sẽ khắc phục được những nhược điểm của mã sơ cấp, đó là:

• Hạn chế thành phần một chiều (điều chế) và thành phần tần số thấp để có thể đấu nối tín hiệu từ mạch này sang mạch khác bằng biến áp hoặc qua tụ

• Thuận lợi cho việc tái tạo lại sung nhịp ở đầu thu

3.6 Khuếch đại quang sợi EDFA

Các hệ thống EDFA làm việc ở bước sóng 1550nm được thiết kế cung cấp hệ

số khuếch đại rất cao (G>40 dB ) và công suất quang ra cao (>20 dBm)

Có 3 cấu hình cơ bản hệ thống EDFA được mô tả trong hình I.16 sau :

Thành phần của các hệ thống đều gồm có :

- Laser diode bơm

- Một hoặc hai bộ lọc WDM (còn gọi là bộ ghép lựa chọn bước sóng WSC)

- Một sợi EDF

- Một bộ cách ly quang (IO)

Trong sơ đồ I.16.a) hệ thống EDFA chỉ có một hướng bơm thuận, bước sóng

bơm truyền cùng hướng với bước sóng tín hiệu cùng đưa tới sợi EDF

Sợi EDF thường có lõi nhỏ hơn và hệ số NA lớn hơn so với sợi đơn mode SMF Do vậy để ghép nối giữa 2 loại sợi khác nhau phải dùng các kỹ thụât ghép nối không chuẩn Để ghép ánh sáng từ laser bơm vào sợi SMF, sử dụng các loại vi thấu kính khác nhau, tuỳ theo đặc điểm của sợi quang mà các loại thấu kính này có thể là tròn, méo hoặc làm giả thấu kính trực tiếp ngay trên sợi quang bằng cách làm nhọn đầu sợi quang

Hệ thống EDFA thứ hai trong hình I.16b) tín hiệu phát được khuếch đại khi sử

dụng bơm ngược hướng Do vậy tín hiệu vào truyền ngược hướng với bước sóng bơm

Hệ thống EDFA thứ ba trong hình I.16c) sử dụng bơm cả 2 hướng thuận và

ngược chiều từ 2 phía của sợi EDF Cần chú ý rằng một hệ thống EDFA nói chung cũng gồm các hệ thống con điều khiển bằng điện khác nhau như điều khiển công suất tín hiệu, điều khiển công suất bơm và điều khiển nhiệt độ Tạp âm nhiệt của hệ thống EDFA thấp nhất đạt được khi bước sóng bơm cùng hướng với tín hiệu

Ngoài các cấu hình hệ thống một tầng, còn có các cấu hình hệ thống có 2 tầng trong đó 2 sợi EDF đặt kế tiếp nhau

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 33

Độ khuếch đại đồng đều của EDFA

Như đã thảo luận, mạng truy nhập HFC CATV gồm cả xu hướng phát triển tới mạng DWDM cho mục đích cung cấp các dịch vụ dữ liệu hoặc Video số và tương tự

Để hỗ trợ chuyển phát các kênh QAM số qua mạng DWDM, yêu cầu các hệ thống EDFA có dải băng tần rộng (hàng chục nm) và với hệ số khuếch đại đồng đều (chênh lệch < 1dB) trong băng tần khuếch đại yêu cầu Hệ số khuếch đại khác nhau giữa các kênh số phát ở các bước sóng khác nhau qua các EDFA nối tiếp, có thể gây ra sự khác công suất quang rất lớn tại đầu thu gây nên lỗi bit BER không chấp nhận được đối với một số kênh trong khi các kênh khác lại đạt yêu cầu

Hơn nữa cân bằng hệ số khuếch đại cũng cần thiết đối với truyền dẫn tín hiệu Video tương tự để triệt một số méo CSO Các phương pháp để đạt được cân bằng hệ

số khuếch đại trong EDFA gồm: Phương pháp chủ động và phương pháp thụ động

b)

EDF WSC

Bộ cách ly

WSC

Laser bơm 980/1550 nm

Laser bơm

980/1550 nm

c)

Sử dụng cách tử có chu kỳ bước dài (long-period gratings), đóng vai trò là bộ lọc lựa chọn bước sóng có suy hao thấp Vấn đề đối với các phương pháp thụ động là chúng chỉ cho hệ số khuếch đại đều với một mức ấn định trước và sinh ra sự không đồng đều về hệ số khuếch đại khi thay đổi mức khuếch đại Hơn nữa, không có cách nào để thích ứng bộ lọc truyền dẫn khi điều kiện hoạt động của EDFA thay đổi.

* Phương pháp chủ động:

Để cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA, dựa trên các bộ lọc quang tích cực

có thể đưa ra đáp ứng lọc truyền dẫn phức tạp cần thiết để đồng bộ ngoài hệ số khuếch đại đối với các tín hiệu vào khác nhau, công suất bơm khác nhau

4 Modem QAM số RF

Các bộ thu và phát RF số là một trong những thành phần quan trọng của mạng HFC để chuyển tín hiệu Video hoặc dữ liệu số từ headend tới thuê bao và theo chiều ngược lại Phương thức điều chế QAM được lựa chọn như là phương thức chuẩn cho mạng truy nhập CATV bởi các chuẩn nổi tiếng như DOCSIS, DAVIC, ITU-T J83

Sơ đồ khối đơn giản của bộ phát và thu QAM trong mạng HFC như hình I.17

4.1 Phần mạch phát QAM gồm:

- Mã hóa R-S (Reed-Solomon)

- Đan xen xoắn

- Ngẫu nhiên hoá

- Mã hóa lưới và điều chế TCM

- Ánh xạ ký hiệu (symbol mapper)

- Nâng tần RF

- Khối điều chế M-QAM có mã hoá vi sai

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 35

Luồng bít MPEG-2 ra

ánh xạ

ký hiệu Điều chế QAM

Giải mã R-S

Giải đan xen xoắn

Giải ngẫu nhiên hóa

Giải mã TCM

Hình I.17 Sơ đồ khối đơn giản của modem QAM RF

- Giải ngẫu nhiên hoá

Ở đây sử dụng mã hoá cụm RS(128,122) bao gồm 122 byte-7 bit thông tin kết hợp với 6 byte kiểm tra, do vậy có thể sửa được 3 byte sai trong mỗi cụm Đan xen luồng bit vào và giải đan xen chúng sau khi thu cho phép bộ thu QAM phân tán lỗi cụm phù hợp với giải mã RS Điều chế và mã hoá lưới TCM nhằm cải thiện độ tin cậy của hệ thồng mà không cần thiết phải tăng công suất phát vào độ rộng băng cần thiết

Bảng I.5 Các thông số truyền dẫn đường xuống đối với các phương thức điều

chế 64/256-QAM theo chuẩn J.83B ITU-T

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 36

Tốc độ thông tin (gồm cả các byte

Bảng I.6 Các thông số truyền dẫn đường xuống đối với các phương thức điều

chế 64/256-QAM theo chuẩn J.83A ITU-T

Điều chế và giải điều chế M-QAM: Nhiệm vụ của khối điều chế M-QAM là chuyển đổi luồng bit băng gốc thành các điểm QAM trong băng tần có sẵn tại tần số trung tần IF Các thông số truyền dẫn đối với các phương thức điều chế 64/256-QAM

dựa trên giao thức DOCSIS 1.1 và chuẩn J.83B ITU-T được tóm tắt trong bảng I.5

Bảng I.6 là các thông số tương đương theo chuẩn J.83A ITU-T đối với các

phương thức điều chế 64/256-QAM Tiêu chuẩn này được phát triển cho kênh độ rộng 8 MHz và được dùng phổ biến trong các hệ thống truyền hình cáp châu Âu

5 Set-Top-Box (STB)

5.1 Giới thiệu STB số thông thường

Một trong những thiết bị đầu cuối thuê bao quan trọng được dùng trong mạng HFC đó là STB số (Digital Set Top Box) STB số tương tác đóng vai trò như một gateway băng rộng để thuê bao có thể thu các kênh CATV tương tự hiện có, các kênh nén hình và tiếng MPEG-2, sử dụng các ứng dụng tương tác cơ bản và các ứng dụng Internet cơ bản Hình I.18 chỉ rõ các khối chức năng trong một STB số

Sơ đồ khối gồm 4 phần chính:

5.1.1 Phần đầu cuối RF :

- Bộ điều hưởng diplexer: Cung cấp độ cách ly cần thiết giữa các dải tần,

thường lớn hơn 65 dB giữa phổ đường lên và đường xuống của CATV

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 37

Hình I.18 Sơ đồ khối đơn giản của một STB số.

- Khối hạ tần RF đường xuống CATV (CATV tuner): Chuyển đổi hạ tần kênh

RF thu được, có thể là kênh AM-VSB hoặc kênh QAM, xuống tần số trung tần (IF)

Nếu tín hiệu là M-QAM, sau đó nó được gửi tới bộ thu tín hiệu QAM Nếu tín hiệu là AM/VSB sẽ được giải điều chế bởi khối NTSC và được giải mã bởi bộ giải mã NTSC để nhận được tín hiệu Video băng gốc

- Khối thu OOB( Out-of-band): Một kênh dữ liệu OOB tích cực cung cấp

truyền thông liên tục từ CATV headend tới STB số tại nhà thuê bao qua mạng cáp phân phối của HFC STB số vẫn làm việc ngay cả khi ở trạng thái “off” Kênh OOB vẫn ở trạng thái tích cực độc lập với kênh TV (số hay tương tự) và độc lập với trạng thái của STB “on” hay ”off” Do vậy bất cứ lúc nào STB được kết nối với cáp đồng trục và nguồn AC, kênh OOB sẵn sàng cho truyền thông đường xuống Thông thường, bất kỳ một dịch vụ nào liên kết trực tiếp tới các dịch vụ riêng MPEG hoặc luồng truyền tải MPEG được mang trong cùng băng tần Với các ứng dụng toàn cầu luôn yêu cầu truyền thông liên tục hoặc các dịch vụ tức thời trong truyền hình luôn được mang trong kênh OOB Tại headend các luồng tín hiệu vào từ các nguồn khác nhau được ghép thành luồng MPEG-2 có tốc độ 1,544 Mb/s Sau đó các gói MPEG rỗng được thêm vào để đạt được tốc độ phát 2,005 Mb/s Luồng MPEG sau đó được điều chế QPSK , mã hóa sửa lỗi và sau đó nâng tới tần số RF trong dải 70 MHz-130 MHz

5.1.2 Phần điều chế:

Gồm có :

- Khối thu 64/256 QAM

- Khối thu OOB QPSK

- Khối phát QPSK /QAM của RF đường lên

- Khối giải mã NTSC

5.1.3 Phần xử lý:

Phần trung tâm của STB số bao gồm các khả năng xử lý khác nhau tuỳ theo dạng thông tin đa phương tiện Phần này gồm có:

- Module truy nhập có điều kiện (Xử lý bảo an)

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 38

- Khối ghép kênh và giải mã MPEG

- Các module nhớ : ROM , SD RAM

5.1.4 Giao diện người dùng:

Cung cấp các giao diện ra khác nhau cho truyền thông đa phương tiện bao gồm :

- Khối điều chế kênh NTSC

- Bus USB

- IEEE 1394/ Firewire

- 10 base T-Ethernet

- Modem thoại

5.2 Một số khối chức năng của STB số

5.2.1 Bộ phân kênh và giải mã hình /tiếng MPEG:

Nhiệm vụ của bộ xử lý MPEG là phân kênh luồng MPEG thành các luồng MPEG cơ bản Mỗi chương trình MPEG-2 hình và tiếng được lựa chọn sau đó thực hiện giải mã và xử lý Bộ xử lý MPEG có thể sử dụng bộ vi xử lý chính trong STB

cho các chức năng giải mã những tín hiệu nén MPEG khác Bộ phân kênh MPEG-2

và giải mã sẽ cấu trúc lại khung TV từ tín hiệu Video nén MPEG-2, giải nén khung I

và sử dụng khung véc tơ động P để cấu trúc lại khung đó Bộ giải mã/giải nén dự đoán các khung B động và sau đó cấu trúc lại khung B bắng cách sử dụng các vector động khác

Bộ giải mã và giải nén thu luồng tốc độ 27Mb/s (38 Mb/s đối với 256 QAM)

ghép kênh rồi thực hiện giải nén Nó cung cấp tín hiệu Video số như được mô tả trong giao diện với thành phần tín hiệu Video số 525 dòng, 625 dòng của TV, CCIR 656

Các ứng dụng quan trọng và lý thú khác là các chương trình Video 3D phát từ STB tới TV Các chương trình Video 3D có thể được bắt nguồn và cấu trúc lại tại STB từ chương trình Video 2D bởi thông tin 3D được mang như dữ liệu hỗ trợ riêng trong luồng dữ liệu MPEG-2 Các ứng dụng 3D này có thể xem trên màn hình NTSC chuẩn, màn hình HDTV bằng cách sử dụng kính mắt đồng bộ IR hoặc trong tương lai

có các hệ thống xem 3D trực tiếp

5.3 Khối xử lý trung tâm CPU:

Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạng truyền hình cáp nhằm đáp ứng truyền số liệu, internet, VOD 39

STB số có các bộ xử lý khác nhau để thực hiện các chức năng khác nhau như

mã hóa tín hiệu MPEG-2, mã hóa tiếng AC-3, mật mã, điều khiển truy nhập và đồ họa Khối xử lý trung tâm trong STB số được chia thành các bộ xử lý khác nhau chịu trách nhiệm xử lý toàn bộ các chức năng của STB

Khối xử lý trung tâm (CPU) của STB gồm :

- Hệ điều hành thời gian thực RTOS

- Các giao diện chương trình ứng dụng

bộ nhớ phù hợp và kiến trúc Bus tương đương

5.4 STB số cao cấp có tích hợp DOCSIS modem

STB số ở trên cung cấp các ứng dụng tương tác cơ bản tuy nhiên nó không cho phép thuê bao truy nhập Internet tốc độ cao qua mạng Để truy nhập Internet thuê bao cần có thêm một modem cáp Một STB số cao cấp tích hợp các chức năng và đặc điểm STB số tương tác với một modem cáp nên nó sẽ cung cấp khả năng truy nhập Internet tốc độ cao cho thuê bao Hình I.18 là sơ đồ khối của STB số cao cấp

Chú ý rằng một STB số cao cấp có 3 bộ hạ tần RF (RF tuner) như sau:

1) RF tuner 54-860 MHz thu tín hiệu NTSC/Video MPEG

2) RF tuner 54-860 MHz cung cấp truy nhập Internet tức thời qua DOCSIS

modem cáp

3) RF tuner 70-130 MHz qua kênh OOB.

Do tích hợp thêm modem cáp nên chức năng của STB số cao cấp ngoài các chức năng của STB số thông thường còn có các chức năng cơ bản của modem cáp Cấu trúc của modem cáp sẽ được đề cập trong phần dưới