Đồ Án Nghiên cứu hệ thống thông tin quang và mạng HFC

LỜI NÓI ĐẦU


Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức trong đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế - xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn. Một giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn tốc độ cao hay băng thông rộng, với dung lượng lớn và đa dịch vụ, đó là công nghệ truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao.
Với những ưu điểm nổi trội như: suy hao truyền dẫn thấp, độ rộng băng thông lớn, chống can nhiễu và bảo mật tốt thông tin quang đã và đang trở thành phương thức truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng cáp hữu tuyến.
Tuy nhiên, thông tin quang là một mạng rất rộng, với khối lượng kiến thức vô cùng phong phú và các công nghệ mới được cập nhật hàng ngày. Do thời gian có hạn và kiến thức về thông tin quang còn hạn hẹp nên em đã chọn một mảng của thông tin quang để nghiên cứu, đó là mạng HFC – Hybrid Fiber Coaxial, mạng kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục. Dưới sự định hướng và hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn đồ án em đã chọn đề tài ”Nghiên cứu hệ thống thông tin quang và mạng HFC”.
Trong phạm vi đồ án, em xin trình bày các nội dung cơ bản nhất của một hệ thống thông tin quang và các công nghệ sử dụng trong mạng HFC.
Cấu trúc của đề tài được chia thành các chương như sau:

Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Tìm hiểu về các khái niệm cơ bản, lịch sử phát triển của thông tin quang sợi. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang cơ bản, đặc điểm và các tham số cơ bản của hệ thống thông tin quang.
Chương II: Các công nghệ quang điện tử trong hệ thống thông tin quang
Tìm hiểu về cáp quang, đặc tính truyền dẫn và các tham số ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Các thiết bị cần thiết cho một hệ thống thông tin quang như: nguồn phát, nguồn thu. Các thông số kỹ thuật của các thiết bị đó.
Chương III: Các kỹ thuật cơ bản trong hệ thống thông tin quang và mạng HFC
Tìm hiểu về 2 công nghệ được xem là phổ biến nhất hiện nay trong truyền dẫn thông tin quang sợi, đó là công nghệ truyền dẫn số đồng bộ - SDH và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng – WDM. Ưu điểm và nhược điểm của 2 công nghệ này. Với mạng HFC, trình bày các nội dung cơ bản của khi xây dựng một hệ thống mạng HFC. Các thiết bị cần thiết cho một mạng HFC, các chuẩn truyền số liệu trong mạng và thông số kỹ thuật cần quan tâm đến khi triển khai một mạng truyền hình cáp HFC.


MỤC LỤC


LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN QUANG SỢI 3
1.1.1. Khái niệm về hệ thống thông tin quang 3
1.1.2 .Các mốc lịch sử phát triển của thông tin quang sợi 3
1.2.CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5
1.2.1.Cấu hình sơ đồ khối 5
1.2.2.Chức năng nhiệm vụ các khối 5
1.2.3.Phân loại hệ thống thông tin quang sợi 6
1.2.4.Đặc điểm của hệ thống thông tin quang 7
1.3.CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 8

CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN TỬ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 9
2.1.CÁP SỢI QUANG 9
2.1.1.Cấu trúc cơ bản của sợi quang 9
2.1.2.Phân loại 9
2.1.3.Cáp quang 11
2.2.NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN SÓNG ÁNH SÁNG 15
2.2.1.Lý thuyết quang hình 15
2.2.2.Độ mở số (NA – Numerical aperture) 17
2.2.3.Các mode sóng trong sợi quang 18
2.3.ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG 19
2.3.1 Đặc tính suy hao 19
2.3.2 Đặc tính tán sắc (Dispersion) 20
2.4.NGUỒN PHÁT QUANG 23
2.4.1.Nguyên lý bức xạ ánh sáng của chất bán dẫn 23
2.4.2.Các chất bán dẫn chế tạo nguồn phát quang 25
2.4.3.LED (Light Emitting Diode) – Diode bức xạ ánh sáng 30
2.4.4.LD – Diode Laser 35
2.5.NGUỒN THU QUANG 40
2.5.1.Photo diode P-N 40
2.5.2.Photo diode PIN 43
2.5.3.Photo diode thác APD 45
2.5.4.Các tham số kỹ thuật của bộ thu quang 48
2.5.5.Các dạng bộ tiền khuếch đại của FRONT-END 52
2.6.CÁC BỘ GHÉP NỐI QUANG HỌC (OPTO-COUPLER) 54
2.6.1.Bộ ghép/tách tín hiệu quang (Coupler) 54
2.6.2.Bộ Isolator/Circulator 55

CHƯƠNG III : CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ MẠNG HFC 58
3.1.KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SDH 58
3.1.1 Khái quát về SDH 58
3.1.2.Truyền dẫn đồng bộ 60
3.1.3.Ưu điểm và nhược điểm của SDH 61
3.1.4.Cấu trúc ghép kênh SDH 62
3.1.5.Cấu trúc khung STM-1 64
3.1.6.Con trỏ SDH 65
3.1.7.Mào đầu trong SDH 67
3.2.KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 70
3.2.1.Định nghĩa về WDM 70
3.2.2.Sơ đồ khối chức năng 71
3.2.3.Phân loại hệ thống WDM 72
3.2.4.Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM 73
3.2.5.Bộ ghép/tách kênh bước sóng 74
3.3.CÔNG NGHỆ MẠNG HFC 77
3.3.1.Vị trí các mạng truyền hình cáp và xu hướng phát triển 77
3.3.2.Kiến trúc mạng HFC cơ bản 79
3.3.3.Cáp đồng trục 84
3.3.4.Các bộ khuếch đại RF 85
3.3.5.Bộ chia và rẽ tín hiệu 88
3.4.MẠNG TRUY NHẬP HFC HAI CHIỀU 89
3.4.1.Set – Top – Box (STB) 89
3.4.2.Thoại IP 90
3.4.3.Modem cáp (Cable Modem) 90
3.4.4.Đặc điểm của truyền dần đường lên trong truyền hình cáp hai chiều 91
3.5.CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠNG HFC VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA MẠNG HFC 92
3.5.1.Nguồn quang trong mạng HFC 92
3.5.2.Các bộ thu quang trong mạng HFC 97
3.5.3.Khuếch đại quang sợi EDFA 98
3.5.4.Modem QAM số RF 99
3.5.5.Thiết bị đầu cuối thuê bao 100
3.6.CÁC CHUẨN TRUYỀN SỐ LIỆU QUA MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HỮU TUYẾN 105
3.6.1.Giao thức truyền thông DOCSIS 105
3.6.2.Chuẩn DVB-RC 107
3.7.CÁC MẠNG TRUY NHẬP EDFA ĐA KÊNH VIDEO AM/QAM 109
3.7.1.Tính năng các mạng quang đa kênh video AM-VSB/QAM 109
3.7.2.Các vấn đề đối với mạng HFC hiện đại 110
3.7.3.Mạng truy nhập DWDM 111
3.8.NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ HỆ THỐNG HFC 112
3.8.1.Giới thiệu về hệ thống SCM đa kênh 112
3.8.2.Đánh giá hiệu năng hệ thống CATV EDFA 115
3.8.3.Hiệu năng của các hệ thống số M-QAM 117
3.8.4.Các thông số kỹ thuật khi triển khai mạng 118
KẾT LUẬN 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình1. 1: Quá trình phát triển của thông tin quang trên thế giới. 5
Hình1. 2: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang. 5
Hình2. 1: Cấu trúc cơ bản của sợi quang 9
Hình2. 2: Cấu trúc sợi MM-SI 10
Hình2. 3: Cấu trúc sợi MM-GI 10
Hình2. 4: Cấu trúc sợi SM-SI 11
Hình2. 5: Cấu trúc cáp băng dẹt 13
Hình2. 6: Cấu trúc cáp lõi khe răng lược 13
Hình2. 7: Cấu trúc cáp với sợi thả trong ống lỏng 13
Hình2. 8: Cấu trúc cáp treo trên cột 14
Hình2. 9: Hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần 16
Hình2. 10: Truyền lan sóng ánh sáng trong sợi quang 17
Hình2. 11: Phân bố mức năng lượng trong bán dẫn 23
Hình2. 12: Vùng năng lượng bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp 26
Hình2. 13: Vùng năng lượng bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp 27
Hình2. 14: Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép 29
Hình2. 15: Cấu trúc tiết diện của một SLED 30
Hình2. 16: Cấu trúc khối của một ELED 31
Hình2. 17: Độ rộng phổ bức xạ của ELED và SLED 32
Hình2. 18: Đặc tuyến P-I của ELED và SLED 33
Hình2. 19: Mạch kích cho LED dùng tín hiệu tương tự 35
Hình2. 20: Mạch kích dùng tín hiệu số 35
Hình2. 21: Mạch kích dùng IC 35
Hình2. 22: Đặc tuyến vào ra P-I của LD 37
Hình2. 23: Phân bố mật độ phổ công suất của LD 39
Hình2. 24: Mạch điều khiển phát có ổn định công suất ra trung bình của LD 40
Hình2. 25: Mạch điều khiển phát không có mạch ổn định công suất ra 40
Hình2. 26: Tiết diện và giản đồ mức năng lượng của photo diode P-N 41
Hình2. 27: Tiết diện dọc và phân bố điện trường của PIN 44
Hình2. 28: Cấu trúc và cường độ trường của APD 46
Hình2. 29: Mô tả các hàm phân bố mật độ xác suất tạp âm dòng điện 51
Hình2. 30: Đồ thị mô tả BER phụ thuộc vào Q 51
Hình2. 31: Sơ đồ bộ tiền khuếch đại trở kháng 53
Hình2. 32: Bộ tiền khuếch đại dạng hỗ dẫn ngược 53
Hình2. 33: Cấu tạo của coupler FBT 2x2 54
Hình2. 34: Coupler hình sao với 8 ngõ vào và 8 ngõ ra 54
Hình2. 35data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">a) Sơ đồ khối của bộ Circulator 3 cổng(b) Sơ đồ khối của bộ Circulator 4 cổng(c) Sơ đồ khối của bộ Isolator 56
Hình2. 36: Cấu tạo bộ Isolator khi ánh sáng vào phân cực dọc 57
Hình2. 37: Cấu tạo của bộ Isolator khi ánh sáng vào phân cực bất kỳ 57
Hình3. 1: Cấu trúc ghép kênh SDH. 62
Hình3. 2: Các bước ghép kênh đồng bộ. 64
Hình3. 3: Cấu trúc khung STM-1. 65
Hình3. 4: RSOH STM-1 67
Hình3. 5: MSOH STM-1. 68
Hình3. 6: Cấu trúc byte V5. 70
Hình3. 7: Sơ đồ khối chức năng hệ thống WDM. 71
Hình3. 8: Sơ đồ khối bộ MUX/DEMUX 74
Hình3. 9: Các thông số đặc trưng. 75
Hình3. 10: Hội tụ mạng HFC, mạng máy tính và mạng PSTN. 78
Hình3. 11: Cấu trúc mạng HFC. 80
Hình3. 12: Cấu tạo cáp đồng trục. 84
Hình3. 13: Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB đảm bảo 88
Hình3. 14: Khối điều chế MZI 96
Hình3. 15: Khối điều chế BBI 96
Hình3. 16: Các cấu hình cơ bản hệ thống EDFA 98
Hình3. 17: Sơ đồ chi tiết các khối trong STB số tương tác 2 chiều. 101
Hình3. 18: Sơ đồ các khối trong STB số cao cấp tích hợp modem DOCSIS. 104
Hình3. 19: Sơ đồ khối Modem cáp. 105
Hình3. 20: Mô hình mạng truyền hình cáp theo chuẩn DOCSIS. 106
Hình3. 21: Các lớp trong giao thức DOCSIS. 107
Hình3. 22: Cấu hình chuẩn hệ thống tích hợp theo chuẩn DVB-RC. 108
Hình3. 23: Sơ đồ khối đường lên số tại node quang trong kiến trúc mạng DWDM 112
Hình3. 24: Hệ thống phân phối SCM có dùng EDFA 115
Hình3. 25: Sơ đồ khối của khối phát và thu M-QAM quang. 117


[B]DANH MỤC BẢNG BIỂU[/B]

Bảng2. 1: Kích thước và độ chênh chiết suất 11
Bảng2. 2: Các tham số của cáp băng dẹt 14
Bảng2. 3: Các tham số của cáp lõi có khe răng lược 14
Bảng2. 4: Các tham số của cáp sợi thả lỏng trong ống 15
Bảng2. 5: Các tham số của cáp treo trên cột 15
Bảng2. 6: Tán sắc trong các loại sợi 23
Bảng2. 7: Hệ số tái hợp Bth 27
Bảng2. 8: Các tham số của PIN 45
Bảng2. 9: Các tham số của APD 48
Bảng3. 1: Các tốc độ của phân cấp số đồng bộ SDH. 61
Bảng3. 2: Các thành phần trong cấu trúc ghép kênh SDH. 63
Bảng3. 3: Các tính năng của laser DFB điều chế trực tiếp 94
Bảng3. 4: Các tính năng đối với laser đường lên 95
Bảng3. 5: Tốc độ các kênh hướng lên 107