BÁO CÁO MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP CATV

Một mạng truyền hình cáp CATV có cấu trúc cơ bản như sau: - Hệ thống trung tâm Headend - Mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu - Mạng truy nhập Thông thường cấu trúc mạng còn tuỳ thuộc v

Mục lục

I Mạng CATV 2

1 Kiến trúc mạng CATV 2

1.1 Hệ thống trung tâm Headend: 2

1.2 Mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu: 3

1.3 Mạng truy nhập: 8

1.3.1 Mạng truy nhập kiểu thụ động (HFPC) 8

1.3.2 Mạng truy nhập kiểu tích cực (HFC): 9

2 Tiêu chuẩn DOCSIS 10

2.1 Tiêu chuẩn DOCSIS 1.0 11

2.2 Tiêu chuẩn DOSIS 1.1 11

2.3 DOCSIS 2.0 12

2.4 DOCSIS 3.0 12

2.5 So sánh thông số kỹ thuật của các tiêu chuẩn DOCSIS 12

3 Các thành phần cơ bản và hệ thống thiết bị trên mạng CATV 14

3.1 Node quang 14

3.2 Khuếch đại 15

3.3 Bộ chia đều và định hướng mạng trục: 17

3.4 Bộ chia nhiều cổng ra mạng trục 18

3.5 Bộ chia đều mạng nhánh 20

3.6 Bộ chia nhiều cổng ra mạng nhánh 20

I Mạng CATV.

1 Kiến trúc mạng CATV.

Một mạng truyền hình cáp CATV có cấu trúc cơ bản như sau:

- Hệ thống trung tâm Headend

- Mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu

- Mạng truy nhập

Thông thường cấu trúc mạng còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố: địa lý, mật độdân cư, liên quan đến việc nâng cấp và nhiều yếu tố khác nữa Tuy nhiên hầuhết mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu đều có cấu trúc theo kiểu “vòng”hoặc “sao”, còn mạng truy nhập thường có cấu trúc kiểu “cây và nhánh” (HìnhII.1)

HEADEND

P-HUB

(HUB s¬ cÊp)

S-HUB (HUB thø cÊp)

S-HUB Node quang

M¹ng truyÒn dÉn M¹ng ph©n phèi M¹ng truy nhËp

H×nh II.1 CÊu tróc m¹ng truyÒn h×nh c¸p CATV

HP

1.1 Hệ thống trung tâm Headend:

Là nơi thu nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau: tín hiệu quảng bá, vệtinh, sản xuất chương trình tại chỗ, chèn tín hiệu sản xuất nội bộ… Sau khi quacác bước xử lý như giải mã, giải điều chế, điều chế, phân kênh, mã hóa, trộn…),tín hiệu được đưa ra ngoài mạng truyền dẫn và phân phối tới khách hàng thuêbao

Đối với Headend phát triển các dịch vụ tương tác như: Internet, VOD, Điệnthoại… Headend sẽ nhận tín hiệu ngược dòng từ các hộ thuê bao sau đó đưa tớicác hệ thống bộ phận liên quan như CMTS, Telephone Switch… để kết nối vớimạng viễn thông bên ngoài Trong quá trình này, bộ phận tính cước (Billing)tính các dung lượng trao đổi của khách hàng để xác định phí sử dụng hàngtháng.

Hình II.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống Headend HCATV

1.2Mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu:

Là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ Headend đến các node quangFN(Fiber Node) nhờ các tuyến cáp quang Điển hình là một hay nhiều mạchvòng cáp quang kết nối giữa HE sơ cấp và các HUB sơ cấp, trong một số trườnghợp khác thì các vòng thứ cấp lại liên kết giữa các HUB sơ cấp với các HUB

thứ cấp Từ đây các node quang FN được liên kết với các HUB hoặc HE theodạng cấu trúc hình sao.

Để nâng cao hiệu suất mạng, người ta xây dựng mạng quang theo cấu trúcFTF (cáp quang kéo đến tận nhánh), FTTC (cáp quang kéo đến tận vùng ngoạiô), FTTB (cáp quang kéo đến tận toà nhà), FTTH (cáp quang kéo đến tận nhàthuê bao), thậm chí là HTTD (cáp quang kéo đến tận bàn làm việc) Phươngchâm thiết kế mạng quang: FAFAYCA (Cáp quang kéo đi xa nhất có thể)

Trong khi thiết kế sử dụng cấu trúc “cây và nhánh” cho mạng cáp đồng trụcthì mạng cáp quang lại dùng cấu trúc mạng “sao” hoặc “vòng” Trong đó cấutrúc mạch vòng Ring có dự phòng 1+1 cho độ tin cậy của hệ thống cao hơn Tức

là cấu trúc gồm 2 mạch vòng chạy theo chiều ngược nhau 2 vòng này chạy trên

2 sợi vật lý riêng biệt: 1 sợi hoạt động còn 1 sợi ở chế độ chờ hay chế độ “bảovệ”, có khả năng đổi tuyến Như vậy cứ tại mỗi 1 trạm (HUB/ node quang) có 4đường cáp quang kéo đến (mỗi sợi quang cho hướng xuôi và ngược đều có dựphòng) Khi mạng có sự cố thì sẽ thực hiện chuyển mạch tự động/ nhân côngsang hệ thống dự phòng để đảm bảo tín hiệu truyền được thông suốt

Mạch vòng Ring có thể có cấu trúc khép kín hoặc theo cấu trúc mở Xuhướng hiện nay thường xây dựng theo cấu trúc mở, mang lại nhiều tiện ích hơn.Tuy nhiên căn cứ vào mạng thực tế để đưa ra số lượng cáp dự phòng chohợp lý (=50-100% số sợi cáp hoạt động), vừa đảm bảo đường truyền dự phòng,vừa đảm bảo kinh tế

Bốn công nghệ sử dụng trong xu hướng phát triển mạng quang:

- Sử dụng máy phát quang công suất cao hoạt động ở bước sóng 1550nmnhằm kéo dài khoảng cách truyền dẫn Sử dụng bước sóng 1550nm tối ưucho các kênh điều chế biên độ cầu phương (QAM) và mạng phân phối vớichi phí thấp.

- Trong truyền số liệu, sử dụng phương thức ghép kênh theo chuẩn SONETlàm điển hình để xây dựng mạng đa phương tiện tốc độ cao

- Ghép kênh phân chia theo bước sóng (DWDM) không chỉ có tác dụng tăngdung lượng truyền dẫn từ 1 đến 16 kênh mà còn kéo dài tuyến quang (Sửdụng sợi cáp quang đơn mode và loại connector có độ phản xạ thấp APCcho phép hệ thống có thể truyền đi xa hơn 60km mà không phải dùngkhuếch đại quang) Do đó làm giảm chi phí mạng

- Công nghệ sử dụng các thiết bị quang tích cực trở thành điển hình trong xuthế phát triển mạng Việc dùng các bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp chấtEribium (EDFA) làm tăng khoảng cách truyền dẫn đến hơn 100km, thậmchí có thể tới 200km

Hệ thống thông tin sợi quang sử dụng 4 vùng cửa sổ quang như hình vẽsau:

Hình II.3: Bốn vùng cửa sổ quang

Trong hình vẽ thể hiện 3 đường cong: đường ở trên cùng, nét gạch, tươngứng với sợi quang những năm trước năm 1980, đường cong ở giữa, nét chấm,tương ứng với sau năm 1980, đường cong ở dưới tương ứng với sợi quang hiệnđại

Trước kia, hệ thống thông tin quang thường khai thác ở bước sóng hoạtđộng 850nm, còn gọi là vùng cửa sổ thứ nhất Tuy nhiên khi công nghệ pháttriển thì vùng cửa sổ này bị giảm tính hấp dẫn bởi mức suy hao khá lớn:3dB/km

Hầu hết các công ty chuyển sang vùng cửa sổ quang thứ 2(1310nm) có suyhao thấp hơn nhiều(khoảng 0.35dB/km) Sau một thời gian các nhà nghiên cứulại phát hiện ra vùng cửa sổ thứ 3 (bước sóng 1550nm) cho suy hao thấp hơn(khoảng 0.2dB/km) Trong khi ở bước sóng 1310nm, khoảng cách truyền dẫncáp quang đơn mode xa nhất cho phép khoảng 60km thì với bước sóng 1550nm,khoảng cách đó là 150km

Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bitcao, phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm dùng các bộ khuếchđại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, sợi quangđơn mode tiêu chuẩn( sợi G.625) có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rấtlớn(18ps/nm*km @1550nm) trong khi đó tại bước sóng 1310nm thì hệ số tánsắc chỉ là 3ps/nm*km Tán sắc lớn làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giaothoa giữa các ký tự( ISI – Intersymbol Interference) do dãn xung tại các khethời gian, làm giảm chất lượng truyền dẫn và hiệu quả Nhìn chung, ảnh hưởngcủa tán sắc đến năng lực truyền dẫn của hệ thống là phức tạp, điều này gây khókhăn cho việc thiết kế các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa

Cửa sổ quang thứ 4( bước sóng 1625nm) cũng đang được đưa vào triểnkhai Tuy nó có mức hao tương đương với bước sóng 1550nm nhưng lại thíchhợp khi sử dụng để kéo dài tuyến và ghép kênh theo bước sóng Song cần cânnhắc giữa hiệu quả và chi phí

Node quang Node quang

Node quang

Node quang

HUB

RF Splitter

TX RX

TX

45 30 25

50

50

Hình II.4 Cấu trúc mạng truyền dẫn tín hiệu quang đơn giản

: Headend : Máy thu quang Rx : Máy phát quang Tx

45

25

: Bộ chia quang theo tỷ lệ %

: Cáp quang : Node quang

Chú thích:

Node quang

Sơ đồ cấu trỳc mạng truyền dẫn tớn hiệu quang(Hỡnh II.4) ở trờn cho biết sơ

bộ chi tiết một số thiết bị trong mạng quang Tớn hiệu sau khi được xử lý tạiHeadend được đưa ra ngoài mạng thụng qua cỏp sợi quang, đến cỏc trạm lặpHUB Tại đõy tớn hiệu được đưa vào mỏy thu, mỏy phỏt quang, cỏc bộ chiaquang theo tỷ số để cấp đến cỏc node quang FN Node quang làm nhiệm vụchuyển đổi tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện để phõn phối tời cỏc nhà thuờ baoqua mạng cỏp đồng trục

Cũng cú trường hợp mỏy phỏt quang RX được đặt ngay tại Hệ thống trungtõm Headend để cấp đến cỏc node quang FN (Tuỳ thuộc vào địa hỡnh, địa bàn,phõn bố dõn cư… mà quyết định thiết kế cú cần đặt trạm lặp quang hay khụng)

+ Mạng quang chiếm tỉ trọng lớn trong toàn bộ mạng tổng thể.

+ Mạng đồng trục chỉ có các tuyến trục chính và tuyến cáp thuê bao với cácthiết bị chia thụ động

+ Khả năng phục vụ từ 400-600 thuê bao/node quang

- Ưu điểm:

+ Chất lượng tín hiệu tốt do không sử dụng các bộ khuếch đại

+ Do không sử dụng các bộ khuếch đại cao tần nên việc thi công lắp đặt,vận hành dễ dàng hơn.

+ Các thiết bị thụ động có khả năng truyền 2 chiều nên độ ổn định mạngvẫn cao khi triển khai mạng 2 chiều

+ Số lượng thuê bao/node quang nhỏ nên có khả năng cung cấp tốt dịch vụ

2 chiều với tốc độ cao

+ Giảm chi phí cấp nguồn công tơ điện, bảo dưỡng, thay thế các thiết bịtích cực

- Nhược điểm:

+ Khả năng bao phủ của 1 node quang nhỏ do không sử dụng khuếch đại.+ Yêu cầu node quang sử dụng phải có công suất lớn, chất lượng cao, ổnđịnh

+ Phù hợp với khu vực có quy hoạch tập trung, không phù hợp với địa hìnhViệt Nam

+ Yêu cầu về chi phí cao

1.3.2 Mạng truy nhập kiểu tích cực (HFC):

- Đặc điểm của mạng HFC thuần tuý:

+ Đáp ứng được các yêu cầu xây dựng theo mạng 1 chiều hay 2 chiều.+ Mạng đồng trục chiếm tỉ trọng lớn trong toàn bộ mạng tổng thể

+ Mạng đồng trục được chia thành 3 cấp:

Cấp trục chính: bao gồm cáp đồng trục trục chính, khuếch đại trục, bộchia tín hiệu đường trục

Cấp trục nhánh: bao gồm cáp đồng trục trục nhánh, khuếch đại nhánh,

bộ chia tín hiệu đường nhánh

Cấp mạng thuê bao: bao gồm cáp đồng trục thuê bao, TV

+ Khả năng phục vụ từ 1500-2000 thuê bao/node quang

- Ưu điểm:

+ Phạm vi bao phủ của 1 node quang lớn nhờ kéo dài mạng đồng trục bởi

sử dụng các khuếch đại cao tần

+ Phù hợp với địa bàn Việt Nam

+ Chi phí ban đầu thấp nhờ sử dụng ít node quang

- Nhược điểm:

+ Cơ chế thi công, vận hành, bảo dưỡng phức tạp, không thuận lợi khi triểnkhai thành mạng 2 chiều

+ Yêu cầu chặt chẽ về nguồn cấp điện trung gian Nếu điểm cấp nguồn nào

đó mất điện thì toàn bộ tuyến phía sau cũng mất tín hiệu

2 Tiêu chuẩn DOCSIS.

Tiêu chuẩn Euro-DOCSIS là tiêu chuẩn truyền dẫn cho mạng truyền hình cáp do hiệp hội kỹ sư viễn thông cáp quốc tế-SCTE ban hành Mục đích của DOCSIS là xác định các tiêu chuẩn cho modem cáp và CMTS, cho phép phát triển và triển khai các hệ thống truyền số liệu trên mạng cáp trên

cơ sở chuyển giao lưu lượng IP hai chiều giữa Headend của hệ thống cáp

và các điểm thuê bao

Hiện nay có nhiều phiên bản DOCSIS ra đời nâng cao chất lượng truyền dẫn trên mạng cáp đồng trục DOCSIS 1.0

2.1 Tiêu chuẩn DOCSIS 1.0

- Giao diện tần số:

Truyền dẫn đường xuống:

Dải tần số hoạt động Hệ thống hoạt động bình thường

trong dải tần số từ 50 MHz tới 860

- Định dạng điều chế đường xuống là 64 và 256 QAM

- Dữ liệu truyền trên kênh phổ tần 6 MHz cùng tồn tại với các tín hiệu kháctrên mạng cáp

- Định dạng điều chế đường lên là QPSK và 16 QAM

2.2 Tiêu chuẩn DOSIS 1.1

- Đầy đủ các tiêu chuẩn của DOCSIS 1.0

Các tính năng nâng cao của DOCSIS 1.1:

- Hỗ trợ điện thoại là thay đổi chính của DOCSIS 1.1

- Có tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ: Trong DOCSIS 1.1 mỗi dịch vụ nhận được hiệu suất đảm bảo dựa trên các thông số chất lượng dịch vụ mà DOCSIS 1.0 không có được Đa dịch vụ lưu lượng và phân loại

- Thêm bảo mật cơ sở (BPI+ - baseline privacy plus): Xác thực các CM (cable modem) với chứng nhận số Các key dài hơn và dùng một số thuật toán mới

- Đảm bảo mã tải xuống: Sử dụng chứng nhận PKCS (Public Key

Cryptography Standards) và mã đăng nhập hình ảnh

2.3 DOCSIS 2.0

- Đầy đủ các tiêu chuẩn của DOCSIS 1.1

Các tính năng nâng cao của DOCSIS 2.0:

- Tăng băng thông đường lên

- Giảm nhiễu mới đường lên

- Độc quyền các tính năng của “Thế hệ tiếp theo” như:

+ Cải thiện nhiều trong việc giải mã đường lên

+ Loại bỏ nhiễu xâm nhập đường lên

+ Điều chế QAM cao ở cả đường lên và đường xuống

2.4 DOCSIS 3.0

- Đầy đủ các tiêu chuẩn của DOCSIS 2.0

Các tính năng nâng cao của DOCSIS 3.0:

- Nâng cao đường xuống PHY (physical layer)

- Tăng băng thông đường lên và đường xuống sử dụng kênh liên kết

- Hỗ trợ IPV6

- Nâng cao việc bảo mật

- Nâng cao Multicast

2.5 So sánh thông số kỹ thuật của các tiêu chuẩn DOCSIS.

nhiễu đường lên

256 QAM (38,8Mbps)

64 QAM (27Mbps)

256 QAM (38,8Mbps)

64 QAM (27Mbps)

256 QAM (38,8Mbps)

Điều chế đường

lên.

QPSK (2 bits/s)

16 QAM (4bits/s)

QPSK (2 bits/s)

8 QAM (3 bits/s)

16 QAM (4bits/s)

32 QAM (5bits/s)

64 QAM (6bits/s)

QPSK (2 bits/s)

8 QAM (3 bits/s)

16 QAM (4bits/s)

32 QAM (5bits/s)

64 QAM (6bits/s)

3 Các thành phần cơ bản và hệ thống thiết bị trên mạng CATV.

3.1Node quang.

Hình 2.7 - Sơ đồ khối Node quang

Hình 2.8 - Sơ đồ nguyên lý một Node quang

(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 chức 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 sẽtheo cổng L(Low)

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

(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 cómột đầu kiểm tra tín hiệu được trích ra bằng khối chia tín hiệu

+ Nguyên lý hoạt động của node quang :

Tín hiệu quang tại đầu vào được chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) quađiốt quang điện vào bộ khuếch đại, tín hiệu cao tần (RF) được chia đều thànhhai 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 chiathành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra cổng Tín hiệuhướng xuống đi qua khối Diplexer sẽ đi qua cổng H ra cổng ra Còn tín hiệu caotần hướng lên (đi từ phía thuê bao) sẽ đi qua cổng L vào khối Combiner và đượckết hợp với tín hiệu đến từ các cổng khác qua bộ lọc, bộ lọc sẽ lọc lấy khoảngtín hiệu trong băng tần hướng lên (5MHz -65MHz) sau đó được khuếch đại vàđược đưa vào khối phát quang Tại đây tín hiệu cao tấn (RF) sẽ được chuyểnthành tín hiệu quang qua điôt điện quang để truyền về trung tâm trên các sợi cáphướng lên

- Chúng phải làm việc được trên mọi phạm vi dải tần rộng, hệ số khuếchđại phải đạt được giá trị phù hợp tại các miền tần số cao.

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

- Bộ khuếch đại có đặc tuyến tuyến tính cao để tránh xuyên âm

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

- Tỷ số CNR của riêng một bộ khuếch đại phải đủ lớn để chống đượcmức nhiễu tầng của các bộ khuếch đại

Có ba loại bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng CATV HFC tuỳ thuộcvào vị trí của chúng:

+Bộ khuếch đại trung kế

+Bộ khuếch đại fidơ

+Bộ khuếch đại đường dây

Được đặt tại điểm suy hao 20~22dB tính từ bộ khuếch đại trước đó, mứcđầu ra thường

Ư u điểm:

Mức CNR cao(<80dB) đặc biệt là đối với kênh truyền hình tần số cao(>300MHz) Vì cáp đồng trục khi truyền dẫn tổn hao phụ thuộc nhiều vào tần sốnên biên độ tín hiệu Video phát đi cần phải được giữ cân bằng nhằm duy trì sựđồng đều trong toàn vùng phổ tín hiệu RF để phát Các bộ giữ cân bằng đườngxuống được thiết kế để bù cho các đoạn cáp đồng trục có độ dài cố định Bằngcách tăng suy hao ở tần số thấp, bộ cân bằng cho phép các bộ khuếch đại trung

kế duy trì mức khuếch đại thích hợp với từng khoảng tần số trong phổ tín hiệutruyền dẫn Ngoài ra, một số bộ khuếch đại trung kế còn được trang bị bộ cânbằng dự đoán trước (Bode Equalizer) để bù tổn hao cáp gây ra do sự thay đổicủa nhiệt độ: