Do an Tot Nghiep-Duong Quang Ha

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..................................................................Error: Reference source not found TÓM TẮT ĐỒ ÁN............................................................Error: Reference source not found DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG..........................................................................................3 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT...............................................................................................4 MỞ ĐẦU...............................................................................................................................6 1.1.Giới thiệu chung...........................................................................................................7 1.1.1.Mạng FTTC và HFC.................................................................................................7 1.1.2.Giới thiệu về mạng FTTH...................................................................................11 1.1.3.Ưu điểm của FTTH ............................................................................................13 1.2. Mạng FTTH..............................................................................................................14 1.2.1. Bước sóng sử dụng trong mạng FTTH..............................................................14 1.2.2. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON...............................16 1.2.2.1. AON............................................................................................................16 1.2.2.2. Mạng PON..................................................................................................18 1.2.3.Các chuẩn trong mạng PON...............................................................................21 1.2.3.1.B-PON..........................................................................................................21 1.2.3.2. BPON và Gigabit PON...............................................................................22 1.2.3.3.WDM-PON..................................................................................................24 1.2.3.4.CDMA-PON................................................................................................26 1.2.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON..................................................27 1.2.4.1.Bộ tách/ghép quang......................................................................................27 1.2.4.2.Topo hình cây..............................................................................................29 1.2.4.3.Topo dạng bus .............................................................................................31 1.2.4.4.Topo dạng vòng...........................................................................................31 1.2.4.5.Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ........................32 1.2.5. PON MAC layer................................................................................................34 1.2.5.1. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol)........34 1.2.5.2. PON với kiến trúc IEEE 802.......................................................................38 Chương II : KIẾN TRÚC BỘ THU-PHÁT TRONG MẠNG PON....................................42 2.1.Đặc điểm chung.........................................................................................................42 2.1.1.Yêu cầu đối với mạng PON................................................................................43 2.1.2.Lớp vật lý mạng PON.........................................................................................44 2.1.3.Định thời cho chế độ burst-mode trong mạng PON...........................................46 2.2. Kiến trúc bộ thu-phát trong mạng.............................................................................51 2.2.1. Sơ đồ khối của ONU/OLT.................................................................................52 2.2.2. Thiết bị thu và phát tín hiệu quang....................................................................54 2.2.2.1.Thiết bị phát quang......................................................................................54 2.2.2.1.1.LED (Light Emitting Diode).................................................................55 2.2.2.1.2.Laser......................................................................................................56 2.2.2.2.Thiết bị thu quang........................................................................................60 2.2.2.3.Bộ ghép WDM.............................................................................................64 2.2.2.4.Bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA...........................................................65 2.2.3. Các module thu và phát quang ..........................................................................67 2.2.4. Bộ thu-phát chế độ burst-mode .........................................................................69 2.2.4.1. So sánh giữa chế độ thông thường và chế độ burst-mode ........................70 2.2.4.2. Bộ phát quang chế độ burst-mode .............................................................71 2.2.4.2. Bộ thu quang chế độ burst-mode ...............................................................77 Chương III : MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN......................................84 3.1. Step-recovery-time diode (SRD)..............................................................................84

Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

1

Đồ án tốt nghiệp 3.1.1.Đặc tính lý tưởng của SRD.................................................................................84 3.1.2.Đặc tính thực tế của SRD...................................................................................85 3.1.3.Thời gian chuyển tiếp của SRD..........................................................................87 3.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn..........................................................88 3.2.1.Nguyên lý thiết kế...............................................................................................88 3.2.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn...................................................91 3.2.3.Kết quả thực nghiệm...........................................................................................95 Chương IV : ỨNG DỤNG CỦA MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN......97 4.1.Ứng dụng của máy phát xung cực ngắn.....................................................................97 4.2.Một số ứng dụng phát triển của mạch phát xung cực ngắn.......................................97 4.2.1.Ứng dụng trong hệ thống UWB..........................................................................97 4.2.2.Ứng dụng trong hệ thống radar định vị...............................................................98 KẾT LUẬN CHUNG..........................................................................................................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................100 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT..............................................................102 PHỤ LỤC...........................................................................................................................103


2


DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG


3


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ADSL AGC AON APC APD ATC ATM AWG BLD BM-CDR BM-LDD BOSA BPON CATV CDMA CDMA-PON CDR CO CRC DBA DFB EFM EPON FDMA F-P FSAN FTTC FTTH GEM GPON GTC HDTV HFC IPTV LDS LED LLID LVCMOS MAC MPCPDU MTBF NE

Asymmetric Digital Subscriber Line Auto-gain Control Active Optical Network Auto Power Control Avalanche Photodiode Automatic Threshold Control Automated Teller Machine Array Waveguide Grating Bottom Level Detector Burst-mode Clock Data Recovery Burst-mode Laser Diode Driver Bidirectional Optical Sub-Assembly Broadband Passive Optical Network Cable Television Code Division Multiple Access Code Division Multiple Access Passive Optical Network Clock Data Recovery Central Office Cyclic Redundancy Check Dynamic Bandwidth Allocation Distributed Feedback Bragg Ethernet in First Mile Ethernet Passive Optical Network Frequency Division Multiple Access Fabry Perot Full Service Access Network Fiber-to-the-Curb Fiber-to-the-Home GPON Encapsulation Method Gigabit Passive Optical Network GPON Tranmission Conversion High-definition Television Hybrid Fiber Coaxial Internet Protocol Television Laser Driver Stage Light Emitting Diode Link Logic ID Low-Voltage CMOS Medium Access Control Muli-Point Control Protocol Data Unit Mean Time Between Failure Network Element


4

Đồ án tốt nghiệp NPA NTT OAM ODN OLT ONT ONU OSA PD PECL PLM PLOAM PLP PMD PON POTS PtPE QAM ROSA RTT SDH SDV SerDes SFF SLA SME SNR SRD TDMA TDMA-PON TDP TIA TOSA UWB VCI VCSEL VOD VoIP VPI VPN WDM-PON

Network Power Assembly Nippon Telegraph and Telephone Operations Administration and Maintenance Optical Distribution Network Optical Line Terminal Optical Network Terminal Optical Network Unit Optical Sub-Assembly Photodiode Positive Emitter-Coupler Logic Power Leveling Mechanism Physical Layer Operation Administration and Maintenance Packet Layer Preample Physical Media Dependant Passive Optical Network Plain Old Telephone Service Point to Point Emulation Quadrature Amplititude Modulation Receive Optical Sub-Assembly Round Trip Time Synchronous Digital Hierarchy Switched Digital Video Serializer/Deserializer Small Form Factor Service Level Agreement Share Medium Emulation Signal-to-Noise Ratio Step Recovery-Time Diode Time Division Multiple Access Time Division Multiple Access Passive Optical Network Transmit and Dispersion Penalty Transimpedance Amplifier Transmit Optical Sub-Assembly Ultra-WideBand Virtual Circuit Identifier Vertical Cavity Surface Emitting Laser Voice on Demand Voice over Internet Protocol Virtual Path Identifier Virtual Private Network Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network


5


MỞ ĐẦU

Trong xu thế hội nhập toàn cầu, mạng Internet là công cụ hỗ trợ không thể thiếu của mỗi người trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, công nghệ bán dẫn và công nghệ quang-điện tử, mạng FTTH đang được triển khai trong thời gian hiện nay mà dẫn đầu là các nước có nền công nghiệp điện tử phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc,… Mạng FTTH là một kiến trúc mạng mới sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn nên mạng cung cấp cho người sử dụng băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao với chất lượng dịch vụ khá tốt. Dựa trên công nghệ mạng quang thụ động cùng với kiến trúc transceiver mới, mạng FTTH có khả năng cung cấp cho số lượng thuê bao lớn hơn rất nhiều so với mạng Internet thông thường, dễ dàng mở rộng mạng và cho phép người sử dụng dùng đồng thời nhiều dịch vụ truyền thông tốc độ cao. Nội dung đồ án gồm 4 chương : Chương I : Tìm hiểu mạng FTTH, kiến trúc mạng và các chuẩn sử dụng trong mạng Chương II : Tìm hiểu kiến trúc transceiver trong mạng FTTH, các linh kiện sử dụng trong transceiver và phân tích sơ đồ khối sử dụng. Chương III : Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn sử dụng diode SRD có độ rộng xung điều chỉnh được, sườn xung khoảng vài chục tới vài trăm picosecond. Chương IV : Trình bày hướng phát triển của đồ án và các ứng dụng của mạch phát và làm sắc xung nói trên.


6


Chương I : MẠNG FTTH (Fiber–to–the–Home) 1.1.Giới thiệu chung Ngày nay, sự phát triển bùng nổ của mạng Internet trên toàn cầu gây ảnh hưởng lớn tới các nhà cung cấp mạng trên toàn cầu trong vài chục năm gần đây. Sự phổ biến của mạng Internet cùng với các yêu cầu ngày càng tăng lên về lĩnh vực multimedia, truyền hình trực tuyến, … qua mạng Internet yêu cầu mạng phải phân phối băng thông rộng cho nhiều người sử dụng với độ tin cậy cao. Với số lượng người dùng ngày càng lớn và nhiều yêu cầu dịch vụ chất lượng cao, hiện tượng thiếu băng thông sẽ là tương lai gần cho tất cả các nhà cung cấp mạng Internet nếu nhà cung cấp vẫn sử dụng những thiết bị mạng và hình thức tổ chức mạng theo kiểu truyền thống sử dụng cáp điện thông thường. Công nghệ cáp quang đã trở thành một giải pháp không thể tránh khỏi cho vấn đề nan giải này. Cáp quang là môi trường truyền dẫn cung cấp băng thông rộng, khả năng chống nhiễu điện từ cao và ít chịu ảnh hưởng của môi trường cho phép truyền dẫn dữ liệu với suy hao thấp. Bởi những đặc tính quan trọng này mà tất cả các mạng xương sống trong Internet hiện nay đều được xây dựng bằng cáp quang. Tuy nhiên, việc kết nối trực tiếp từ người dùng tới mạng Internet bằng cáp quang mới chỉ bắt đầu được thực hiện trong những năm gần đây. Lý do chính giải thích cho vấn đề này là hệ thống dịch vụ multimedia chưa phát triển đồng thời những yêu cầu về dịch vụ băng rộng chưa trở nên phổ biến. Một lý do khác là việc lắp đặt cáp quang có chi phí rất cao chưa thỏa mãn được yêu cầu cần thiết. Do đó, mạng cáp quang tới tận thuê bao FTTH (Fiber-tothe-Home) là một bước tiến vượt bậc trong công nghiệp multimedia nhờ khả năng cung cấp các dịch vụ multimedia chất lượng cao như truyền hình chất lượng cao HDTV(High-definition Television), download các bản nhạc và video. Điều này gây nên tác động rất lớn trong lĩnh vực kinh tế bởi FTTH là mạng đem tới nhiều lợi nhuận do khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và giá thành lắp đặt mạng.

1.1.1.Mạng FTTC và HFC Vào những năm 1970, những công ty điện thoại và truyền hình cáp đã nhận thấy tiềm năng phát triển của sợi quang thay thế hệ thống cáp lúc đó. Do sự phát triển


7

Đồ án tốt nghiệp của công nghệ sợi quang thời điểm đó nên giá thành xây dựng hệ thống mạng quang rất cao. Bởi vậy, giải pháp tạm thời để chuyển giao sang mạng cáp quang là xây dựng những mạng có giá thành thấp hơn như FTTC, HFC mà những mạng này sử dụng cáp quang làm đường truyền tải chính nhưng vẫn sử dụng phương thức kết nối mạng truyền thống dùng cáp bằng kim loại để kết nối từ nhà cung cấp tới người sử dụng.Bằng phương pháp này, nhà cung cấp đã chia giá thành xây dựng mạng sử dụng sợi quang cho nhiều người sử dụng. Tại thời điểm này, giải pháp chuyển sang mạng FTTH ( một mạng toàn bộ sử dụng sợi quang cung cấp cho người dùng ) là một giải pháp không khả thi. Trong kiến trúc mạng FTTC, đường cáp quang được kéo dài từ nhà cung cấp tới các node gần khu vực người sử dụng. Điều này mang tới nhiều thuận lợi : (i) nó khai thác được băng thông rộng của sợi quang bằng cách chia sẻ đường truyền cho nhiều người sử dụng trong cùng mạng; (ii) bằng cách sử dụng nhiều sợi quang, kiến trúc này cho phép hạ giá thành đầu tư cho các dịch vụ băng rộng cần thiết cho tương lai. Tại chặng giữa người sử dụng và các node, FTTC sử dụng cáp xoắn đồng và cáp đồng trục. Mặc dù FTTC được thiết kế để cung cấp các dịch vụ video, việc sử dụng song song 2 loại cáp là cáp xoắn cho dịch vụ truyền thoại và cáp đồng trục cho dịch vụ video sẽ hạ giá thành lắp đặt so với việc sử dụng các bộ ghép và tách kênh dùng cho cáp xoắn đồng truyền cả 2 dịch vụ này. Trong mạng FTTC , các thiết bị đầu cuối truyền tốc độ cao từ nhà cung cấp và được tách kênh trên sợi quang phân phối cho các đường cáp quang có tốc độ thấp hơn tới người sử dụng. Các thiết bị đầu cuối sử dụng khối nguồn NPA (Network Power Assembly) của các host để cấp nguồn cho các thiết bị kết cuối quang ONU (Optical Network Unit) phía người sử dụng. Khi nguồn được cấp cho NPA, các đường cáp quang phân phối sẽ bao gồm cả đường cáp đồng cấp nguồn. Đường cáp quang mang nhiệm vụ chính là cung cấp các chức năng truyền, nhận, và ghép kênh cho các liên kết quang tới các khối ONU. ONU sẽ phân chia thành các kênh truyền tới các thiết bị giao tiếp mạng dùng cáp đồng của người sử dụng. FTTC bao gồm nhiều cáp quang với dung lượng khác nhau và các bộ chia quang, connector sẽ cung cấp băng thông cần thiết cho người sử dụng. Thông thường, một sợi quang trong mạng FTTC được dùng cho 10-


8

Đồ án tốt nghiệp 100 người sử dụng và kết nối đầu cuối tới người dùng sử dụng cáp đồng có chiều dài khoảng 30m.

Hình 1.1-Mô hình mạng FTTC điển hình Đồng thời các công ty truyền hình cáp cũng sử dụng cáp quang để phân phối cho người tiêu dùng sử dụng kiến trúc mạng lai giữa cáp điện và cáp quang HFC(Hybrid Fiber Coaxial). HFC là kiến trúc mạng kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục dùng cho mạng băng rộng. Hình 1.2 dưới đây thể hiện kiến trúc mạng HFC.

Hình 1.2-Mạng HFC Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

9

Đồ án tốt nghiệp Kiến trúc mạng HFC có thành phần mạng xương sống dùng cáp quang được các nhà cung cấp sử dụng để cung cấp cả dịch vụ thoại và video cho người sử dụng. Mạng HFC có thể cung cấp 500 kênh truyền dẫn khác nhau và truyền dẫn đồng thời 2 dịch vụ VOD và thoại. Với truyền hình quảng bá, mạng HFC có thể cung cấp số kênh video tương tự cho mỗi người sử dụng. Nhờ đó, HFC là mạng được dùng cho 1 nhóm lớn người sử dụng (từ 500 – 2000 thuê bao). Các trạm phát trong mạng HFC nhận được tín hiệu từ trung tâm truyền quảng bá vào không gian qua hệ thống viba hoặc vệ tinh sẽ được kết hợp và phát lại vào đường cáp quang trong mạng. Sau đó, tín hiệu này được chia cho các đường fi-đơ tới người sử dụng. Bởi vì tín hiệu bị suy hao rất lớn trong cáp đồng trục nên tại phía người dùng cần có một bộ khuếch đại tín hiệu như mini-bridger hoặc line extender cho cả 2 chiều lên và xuống. Kiến trúc mạng HFC sử dụng chung môi trường truyền tải, tín hiệu từ nhiều người sử dụng sẽ tới 1 node xác định trong mạng. Điều đó dẫn đến việc phải dùng thêm mã bảo mật để bảo đảm tính an toàn trong mạng. Tại tuyến lên từ người dùng tới các trạm phát, HFC sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập thông dụng như TDMA, FDMA và CDMA cho phép nhiều người sử dụng cùng đưa yêu cầu tới mạng. Việc sử dụng hệ thống cáp quang từ trạm phát tới các node sẽ giảm đi kích thước của node và giảm suy hao trên đường truyền. Bởi vậy, HFC có thể cung cấp các dịch vụ băng hẹp với tốc độ cao và nhiều dịch vụ video tương tác khác. Sau khi kiến trúc mạng FTTC và HFC được kết hợp thì một kiến trúc mạng mới đã được hình thành. Đó là mạng chuyển mạch video số SDV (Switched Digital Video). Do mạng FTTC là mạng truyền dẫn tín hiệu quang nên nó không thể truyền tín hiệu điện và phải được cấp nguồn bởi 1 mạng khác. Bằng cách sử dụng 1 mạng HFC với cáp đồng trục chạy dọc theo mạng FTTC thì vấn đề cấp nguồn cho mạng FTTC được giải quyết. Do đó, mạng cáp đồng trục có thể phân phối tín hiệu video 1 chiều đồng thời cấp nguồn cho mạng FTTC. Điều đó là lý do chính để nhà sản xuất sử dụng mạng FTTC trong kiến trúc mạng SDV để phân phối dịch vụ thoại 2 chiều và video số. Kiến trúc mạng SDV được sử dụng để cung cấp truyền hình số một cách hiệu quả với băng thông rộng cho người sử dụng. Hình 1.3 dưới đây là kiến trúc điển hình của mạng SDV dùng cho cả hệ thống truyền hình cáp sử dụng phương pháp điều chế QAM và hệ thống truyền hình trực tuyến IPTV ( Internet


10

Đồ án tốt nghiệp Protocol Television). Trong hệ thống SDV, mọi người dùng đều có khả năng tương tác 2 chiều với hub để đưa ra yêu cầu của mình.

Hình 1.3–Mạng SDV 1.1.2.Giới thiệu về mạng FTTH Một trong những nhà cung cấp lớn nhất dịch vụ mạng tại Nhật Bản là công ty NTT đã triển khai những bước đi đầu tiên trong công nghệ FTTH. Dưới sự phát triển của NTT, những công ty viễn thông khác như AT&T, Hitachi, Fujitsu, … cũng tham gia vào quá trình phát triển của mạng FTTH. FTTH là một công nghệ kết nối viễn thông sử dụng cáp quang từ nhà cung cấp dịch vụ tới địa điểm của khách hàng (văn phòng, nhà…). Công nghệ của đường truyền được thiết lập trên cơ sở dữ liệu được truyền qua tín hiệu quang (ánh sáng) trong sợi cáp quang đến thiết bị đầu cuối của khách hàng, tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu điện, qua cáp mạng đi vào broadband-router. Nhờ đó, khách hàng có thể truy cập internet bằng thiết bị này qua có dây hoặc không dây. Tín hiệu quang được ghép kênh và đưa tới bộ chia dùng cho khu vực của 1 nhóm người tiêu dùng. Trong mạng FTTH, có rất nhiều tỷ lệ chia dùng cho bộ chia nhưng Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

11

Đồ án tốt nghiệp thông thường sử dụng bộ chia tỷ số 1: 16 cho người dùng hay nói cách khác, tín hiệu quang được ghép kênh để đưa tới cho 1 nhóm 16 người sử dụng khác nhau. Khi tín hiệu quang phải chuyển đổi thành tín hiệu điện tới người sử dụng, ONU cần được đặt tại kết cuối của mạng. Do giá thành lắp đặt của một ONU khá cao nên nhà phân phối thường sử dụng ONU cho nhiều người sử dụng để giảm chi phí lắp đặt mạng. Hình 1.4 dưới đây thể hiện cấu trúc cơ bản của 1 mạng FTTH trong đó ONU tương đương với 1 giao tiếp giữa mạng thông tin quang và người sử dụng.

Hình 1.4–Mạng FTTH Việc cung cấp nguồn cho mạng FTTH là một trong những vấn đề chính cần được giải quyết. Nó đóng vai trò quan trọng trong mạng FTTH tại hầu hết các quốc gia vì yêu cầu cấp nguồn liên tục cho tất cả các dịch vụ viễn thông trong khi mạng FTTH không thể truyền dẫn tín hiệu điện. Với trường hợp mạng FTTC dùng cáp đồng trục, mạng FTTC được cung cấp nguồn thông qua một mạng cáp đồng trục chạy song song với mạng. Với mạng FTTH, khả năng tiêu thụ với công suất rất thấp chính là đặc điểm cạnh tranh lớn nhất của nó với các kiến trúc mạng khác. Vấn đề này đã được giải quyết bởi sự phát triển của các nguồn pin hiện nay; nhờ đó, thiết bị thông tin quang đầu cuối tại người sử dụng có thể được cấp nguồn và sạc bằng điện. Các nguồn cấp điện dùng pin mặt trời cũng là giải pháp khả thi cho các thiết bị ở khu vực xa với tiêu thụ công suất rất thấp. Khả năng cung cấp nguồn này của mạng FTTH đã đẩy chi phi lắp đặt của toàn bộ mạng xuống từ 4 đến 8 lần so với các mạng khác.


12

Đồ án tốt nghiệp Hiện nay, sự phát triển vượt bậc trong công nghệ sợi quang cũng đẩy giá thành của lắp đặt của mạng FTTH hạ xuống nhanh chóng mà sự phát triển này bắt nguồn chính từ những tiến bộ mạnh mẽ trong công nghệ laser, các giải pháp mới trong việc phân phối tín hiệu video và kiến trúc mạng thụ động. Bên cạnh những tiến bộ về công nghệ , chúng ta cũng cần phải kể đến sức phát triển mạnh mẽ của mạng Internet, các website và công nghệ video số đã hình thành những dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, băng thông rộng. Chính những yêu cầu không ngừng của người sử dụng đã nhanh chóng cho nhà sản xuất thấy giới hạn của mạng và nhờ điều đó, mạng FTTH là giải pháp tối ưu được đề xuất cho những khả năng truyền tải băng rộng với suy hao thấp. FTTH đặc biệt hiệu quả với các dịch vụ: Private Hosting Server, VPN, Truyền dữ liệu, Game Online, IPTV, VoD, Video Conferrence, IP Camera… với ưu thế băng thông truyền tải dữ liệu cao, có thể nâng cấp lên băng thông lên tới 1Gbps, an toàn dữ liệu, độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường... 1.1.3.Ưu điểm của FTTH Kiến trúc mạng FTTH sử dụng được xem xét với nhiều ưu điểm như số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối của tổng đài CO (Central Office) và sợi quang khá thấp. FTTH là mạng quang điểm đa điểm với các linh kiện quang thụ động trên đường dẫn tín hiệu từ nguồn đến thuê bao như là sợi quang, bộ nối và bộ chia quang. Dưới góc độ của nhà phân phối thì FTTH mở ra một thị trường và những cơ hội mới về dịch vụ truyền thoại , dữ liệu tốc độ cao cùng các dịch vụ truyền hình, multimedia tương tác khác. So sánh với mạng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) hiện nay, tốc độ upload của FTTH vượt qua ngưỡng của chuẩn ADSL2+ (1Mbps) hiện tại và có thể ngang bằng với tốc độ download. Vì vậy thích hợp với việc truyền tải dữ liệu theo chiều từ trong mạng khách hàng ra ngoài internet. Độ ổn định và tuổi thọ cao hơn dịch vụ ADSL do không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường; khả năng nâng cấp tốc độ (download/upload) dễ dàng. Ngoài các ứng dụng như ADSL có thể cung cấp Triple Play Services (dữ liệu, truyền hình, thoại), với ưu thế băng thông vượt trội, FTTH sẵn sàng cho các ứng dụng đòi hỏi


13

Đồ án tốt nghiệp băng thông cao, đặc biệt là truyền hình độ phân giải cao yêu cầu băng thông lên đến vài chục Mbps, trong khi ADSL không đáp ứng được. Ngày nay, các kênh truyền hình số được nén tới tốc độ từ 1.5 – 6Mbit/s và tiến tới công nghệ truyền hình số HDTV với tốc độ truyền tải 20Mbit/s. Mạng FTTH có thể cung cấp cho người dùng đồng thời từ 5-10 kênh truyền hình HDTV với các dịch vụ khác. Vì thế , với sự phát triển của truyền hình số thì FTTH là yêu cầu không thể thiếu cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình. Hơn nữa, độ ổn định của mạng FTTH ngang bằng như dịch vụ internet kênh thuê riêng Leased-line nhưng chi phí thuê bao hàng tháng thấp hơn vài chục lần. Đây sẽ là 1 gói dịch vụ thích hợp cho nhóm các khách hàng có nhu cầu sử dụng cao hơn ADSL và kinh tế hơn leased-line. Bên cạnh đó, mặt mạnh của mạng FTTH so với các mạng khác chính là FTTH có giá thành bảo dưỡng và duy trì mạng thấp nhất. Thông thường, các công ty viễn thông cần tiêu hao một chi phí lớn cho bảo trì và thay thế những cáp đồng cũ và xuống cấp do sự phá hủy của môi trường hằng năm. Trong khi đó, việc sử dụng sợi quang trong mạng FTTH đã giảm thiểu chi phí bảo trì hệ thống do sợi quang không bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi môi trường, thời tiết như cáp đồng. Chính bởi những lý do trên , FTTH là một bước tiến vững chắc cho công nghệ Internet băng rộng đang được triển khai tại một số nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc,… và bắt đầu được xây dựng tại Việt Nam.

1.2. Mạng FTTH 1.2.1. Bước sóng sử dụng trong mạng FTTH Tổn hao truyền sóng trên sợi quang gây ảnh hưởng lớn tới dự trữ công suất, khoảng cách vật lý, tỉ số chia trong mạng. Trong sợi quang, tồn tại rất nhiều nguyên nhân gây ra suy hao tín hiệu nhưng chủ yếu bởi 4 nguyên nhân chính : suy hao do hấp thụ vật liệu, suy hao do tán xạ, suy hao do uốn cong và suy hao do ghép và chia sợi quang. Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ suy hao của sợi quang. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 1.5.


14

Đồ án tốt nghiệp Nhìn vào hình 1.5 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ thông tin. * Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm. Trong vùng bước sóng từ 0.8μm tới 1μm, suy hao chủ yếu do tán xạ trong đó có một phần ảnh hưởng của suy hao hấp thụ. Suy hao trung bình trong cửa sổ này ở mức từ (2-3)dB/Km. * Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm. Ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp, suy hao chính do tiêu hao tán xạ Rayleigh. Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4÷ 0,5) dB/Km và tán sắc nên được dùng rộng rãi hiện nay. * Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,3 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Tuy nhiên với một số loại sợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm như các sợi quang DC, MC và sợi quang bù tán sắc. Lúc đó việc sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có nhiều thuận lợi : suy hao thấp và tán sắc nhỏ.

Hình 1.5-Đặc tuyến suy hao trong sợi quang Hình 1.5 ở trên chỉ ra phổ suy hao trong sợi quang silicat. Thông thường, tổn hao lớn nhất trên sợi quang ở bước sóng 1,38 µm gây ra bởi hấp thụ của tạp chất trong ion OH- do quá trình sản xuất cáp quang. Thông qua các tính chất suy hao của sợi Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

15

Đồ án tốt nghiệp quang, mạng FTTH được triển khai dựa trên 3 vùng bước sóng chính là 1310nm, 1490nm và 1550nm. Vùng bước sóng 1310nm để truyền dữ liệu tuyến lên, vùng bước sóng 1490nm được dùng cho tuyến truyền dẫn quang tuyến xuống còn vùng bước sóng 1550nm được sử dụng cho việc truyền tín hiệu tương tự trên cáp truyền hình CATV. 1.2.2. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON Như đã nói ở phần trên, FTTH được xem như là một giải pháp hoàn hảo thay thế mạng cáp đồng hiện tại nhằm cung cấp các dịch vụ “triple play” (bao gồm thoại, hình ảnh, truy nhập dữ liệu tốc độ cao) và các các ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông (như là truy cập Internet băng rộng, chơi game trực tuyến và phân tán các đoạn video). Tuy nhiên nhược điểm chính của FTTH đó là chi phí cho các linh kiện và cáp quang tương đối cao dẫn tới giá thành lắp đặt những đường quang như vậy là rất lớn. Có nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm này và một trong số đó là triển khai FTTH trên nền mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network). Hầu hết trong các mạng quang hiện nay, mỗi đường cáp quang từ nhà cung cấp sẽ được chia sẻ cho một số người sử dụng. Khi các đường cáp quang này được kéo tới phía người sử dụng, cần có 1 bộ chia quang để tách tín hiệu tới các sợi quang riêng biệt tới từng người sử dụng khác nhau. Bởi vậy, đã xuất hiện 2 kiến trúc điển hình trong việc chia đường cáp quang là mạng quang tích cực AON (Active Optical Network) và mạng quang thụ động PON. Để có cái nhìn rõ rệt hơn về FTTH, ta sẽ tìm hiểu sơ lược 2 kiến trúc này. 1.2.2.1. AON Mạng quang tích cực sử dụng một số thiết bị quang tích cực để phân chia tín hiệu là : switch, router và multiplexer. Mỗi tín hiệu đi ra từ phía nhà cung cấp chỉ được đưa trực tiếp tới khách hàng yêu cầu nó. Do đó, để tránh xung đột tín hiệu ở đoạn phân chia từ nhà cung cấp tới người dùng, cần phải sử dụng một thiết bị điện có tính chất “đệm” cho quá trình này. Từ năm 2007, một loại mạng cáp quang phổ biến đã nảy sinh là Ethernet tích cực (Active Ethernet). Đó chính là bước đi đầu tiên cho sự phát triển của chuẩn 802.3ah nằm trong hệ thống chuẩn 802.3 được gọi là Ethernet in First Mile (EFM). Mạng Ethernet tích cực này sử dụng chuyển mạch Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

16

Đồ án tốt nghiệp Ethernet quang để phân phối tín hiệu cho người sử dụng; nhờ đó, cả phía nhà cung cấp và khách hàng đã tham gia vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet tương tự như mạng máy tính Ethernet sử dụng trong các trường học. Tuy nhiên, 2 mạng này cũng có sự khác biệt đó là Ethernet trong trường học mục đích chủ yếu là liên kết giữa máy tính và máy in còn mạng chuyển mạch Ethernet tích cực này để dùng cho kết nối từ phía nhà cung cấp tới khách hàng. Mỗi một khối chuyển mạch trong mạng Ethernet tích cực có thể điều khiển lên tới 1000 khách hàng nhưng thông thường trong thực tế, 1 chuyển mạch chỉ sử dụng cho từ 400 đến 500 khách hàng.Các thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3. Chuẩn 802.3ah cũng cho phép nhà cung cấp dịch vụ cung cấp đường truyền 100Mbps song công tới khách hàng và tiến tới cung cấp đường truyền 1Gbps song công. Hình 1.6 dưới đây là kiến trúc đơn giản của mạng AON.

Hình 1.6-Mạng Active Ethernet (trên ) và mạng AON (dưới) Một nhược điểm rất lớn của mạng quang tích cực chính là ở thiết bị chuyển mạch. Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngược lại để truyền đi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTH. Ngoài Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

17

Đồ án tốt nghiệp ra do đây là những chuyển mạch có tốc độ cao nên các thiết bị này rất đắt, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập. 1.2.2.2. Mạng PON Các mạng viễn thông ngày nay đều dựa trên các thiết bị chủ động, tại thiết bị tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ lẫn thiết bị đầu cuối của khách hàng cũng như các trạm lặp, các thiết bị chuyển tiếp và một số các thiết bị khác trên đường truyền. Các thiết bị chủ động là các thiết bị này cần phải cung cấp nguồn cho một số thành phần, thường là bộ xử lý, các chíp nhớ… Với mạng PON, tất cả các thành phần chủ động giữa tổng đài CO và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, điều khiển lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lượng của các bước sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đường truyền. Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ không còn cần đến năng lượng và các thiết bị chủ động trên đường truyền nữa. Các bộ ghép / tách thụ động chỉ làm các công việc đơn thuần như cho đi qua hoặc ngăn chặn ánh sáng… Vì thế, không cần năng lượng hay các động tác xử lý tín hiệu nào và từ đó, gần như kéo dài vô hạn khoảng thời gian trung bình giữa các lần lỗi truy cập MTBF (Mean Time Between Failure), giảm chi phí bảo trì tổng thể cho các nhà cung cấp dịch vụ. Mạng quang thụ động (PON) được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tin quang FTTH. PON là một mạng điểm tới đa điểm, một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (O pt ic al Ne tw ork Un it /O pt ic al Ne tw ork Te rm in al ) đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao. Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quan ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động. Kiến trúc của PON được mô tả như trong Hình 1.7.


18


Hình 1.7–Mạng PON Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang ONT có khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ điện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và các giao tiếp truyền dữ liệu tốc độ cao như Ethernet và DSL. Đầu cuối đường dây quang OLT bao gồm các khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và các phần tử điều khiển NE (Network Element). Thiết bị OLT (thiết bị kết cuối kênh quang) được đặt ở phía nhà cung cấp dịch vụ, còn các thiết bị ONT (thiết bị kết cuối mạng quang) được đặt phía nguời sử dụng. Thiết bị OLT cung cấp nhiều kênh quang, mỗi kênh quang đuợc truyền trên một tuyến cáp quang trên đó có bộ chia. Nhiệm vụ của bộ chia là thu và nhận các tín hiệu quang đuợc nhận và phát bởi OLT. Cáp sợi quang truyền từ OLT sẽ trải dài và kết nỗi tới mỗi ONT. Các bước sóng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tùy theo lựa chọn) đuợc dùng cho băng thông chiều xuống từ OLT, trong đó các bước sóng 1310 nm sẽ đuợc truyền theo huớng lên bởi mỗi thiết bị ONT. Hệ thống cung cấp địa chỉ, cung cấp băng thông một cách tự động tự động cũng như việc mã hóa được sử dung để truy trì và phân tách lưu lựợng giữa OLT và ONT. Tại hướng xuống, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU. Tín hiệu hướng xuống bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ đầu Khai thác Quản lý và Bảo


19

Đồ án tốt nghiệp dưỡng OAM (Operation Administration and Maintenance) và các tín hiệu đồng bộ cho các ONT gửi dữ liệu hướng lên. Dựa vào các thông tin về khe thời gian (kênh), địa chỉ gói/tế bào, bước sóng, mã CDMA mà các ONT tách dữ liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng. Trong hướng lên, mỗi một ONU cần có giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) để chia sẻ PON. Giao thức MAC thường được sử dụng trong PON là đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, khi đó mỗi ONT được cấp một khe thời gian (kênh) để gửi dữ liệu của mình tới OLT. Ngoài ra trong hướng lên cần phải có khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhóm gói dữ liệu của các ONT, khoảng thời gian này phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu không bị trùm phủ lên nhau. Thông thường các hệ thống TDMA-PON gán trước một tỷ lệ phân chia cố định băng thông hướng lên cho các ONT mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu được gửi đi. Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). DBA là giao thức cho phép các ONT gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông hướng lên. Các thông tin yêu cầu có thể là các mức đầy hàng đợi đầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau. OLT đánh giá các yêu cầu từ các ONT và gán băng thông cho gửi dữ liệu hướng lên ở lần kế tiếp theo. OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông. Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một bước sóng riêng. Trong các mạng PON các bước sóng được sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu đường lên. Ưu điểm của PON là nó sử dụng các bộ tách/ghép quang thụ động, có giá thành rẻ và có thể đặt ở bất kì đâu, không phụ thuộc vào các điều kiện môi trường, không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết bị giữa phòng máy trung tâm và phía người dùng. Ngoài ra, ưu điểm này còn giúp các nhà khai thác giảm được chi phí


20

Đồ án tốt nghiệp bảo dưỡng, vận hành. Nhờ đó mà kiến trúc PON cho phép giảm chi phí cáp sợi quang và giảm chi phí cho thiết bị tại nhà cung cấp do nó cho phép nhiều người dùng (thường là 32) chia sẻ chung một sợi quang. 1.2.3.Các chuẩn trong mạng PON Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm 1 bao gồm các chuẩn theo phương thức truy nhập TDMA-PON như là B-PON (Broadband PON), E-PON (Ethernet PON), G-PON (Gigabit PON) (đặc tính các của chuẩn TDMA-PON được so sánh trong Bảng 1.1); nhóm 2 bao gồm chuẩn theo các phương thức truy nhập khác như WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và CDMAPON (Code Division Multiple Access PON) 1.2.3.1.B-PON Mạng quang thụ động băng rộng B-PON được chuẩn hóa trong chuỗi các khuyến nghị G.938 của ITU-T. Các khuyến nghị này đưa ra các tiêu chuẩn về các khối chức năng ONT và OLT, khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hướng lên và hướng xuống, giao thức truy nhập hướng lên TDMA, các giao tiếp vật lý, các giao tiếp quản lý và điều khiển ONT và DBA. Trong mạng B-PON, dữ liệu được đóng khung theo cấu trúc của các tế bào ATM. Một khung hướng xuống có tốc độ 155Mbit/s (56 tế bào ATM có khích thước 53byte), hoặc 622 Mbit/s (4*56 tế bào ATM) và một tế bào quản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý OAM (PLOAM – Physical Layer OAM) được chèn vào cứ mỗi 28 tế bào trong kênh. PLOAM có một bít để nhận dạng các tế bào PLOAM. Ngoài ra các tế bào PLOAM có khả năng lập trình được và chứa thông tin như là băng thông hướng lên và các bản tin OAM. Căn cứ vào các thông tin về mã số nhận dạng kênh ảo và nhận dạng đường ảo (VPI/VCI) trong cấu trúc ATM, các ONT nhận biết và tách dữ liệu đường xuống của mình. Cấu trúc khung hướng lên bao gồm 56 tế bào ATM (53 byte). Mỗi một kênh (time slot) gồm có một tế bào ATM/PLOAM và 24 bít từ mào đầu. Từ mào đầu mang thông tin về khoảng thời gian bảo vệ (guard time), mào đầu cho phép đồng bộ và khôi phục tín hiệu tại OLT, và thông tin nhận dạng điểm kết thúc của từ mào Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

21

Đồ án tốt nghiệp đầu. Chiều dài của từ mào đầu và các thông tin chứa trong đó được lập trình bởi OLT. Các ONT thực hiện gửi các tế bào PLOAM khi chúng nhận được yêu cầu từ OLT. B-PON sử dụng giao thức DBA để cho phép OLT nhận biết lượng băng thông cần thiết cấp cho các ONT. OLT có thể giảm hoặc tăng băng thông cho các ONT dựa vào gửi các tế báo ATM rỗi hoặc làm đầy tất cả hướng lên bởi dữ liệu của ONT. OLT dừng định kỳ việc truyền hướng lên do vậy nó có khả năng mời bất kỳ ONT mới nào tham gia vào hoạt động hệ thống. Các ONT mới phát một bản tin phúc hồi trong cửa sổ này với thời gian trễ ngẫu nhiên để tránh xung đột khi mà có nhiều ONT mới muốn tham gia. OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONT mới bằng việc gửi tới ONT một bản tin đo cự ly và xác định thời gian bao lâu để thu được bản tin phúc hồi. Sau đó OLT gửi tới ONT một giá trị trễ, giá trị này được sử dụng để xác định thời gian bảo vệ ứng với các ONT. 1.2.3.2. BPON và Gigabit PON E-PON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất được phát triển dựa trên khai thác các ưu điểm của công nghệ Ethernet ứng dụng trong thông tin quang. E-PON được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3. Trong E-PON dữ liệu hướng xuống được đóng khung theo khuôn dạng Ethernet. Các khung E- PON có cấu trúc tương tự như các liên kết Gigabit Ethernet điểm tới điểm ngoại trừ từ mào đầu và thông tin xác định điểm bắt đầu của khung được thay đổi để mang trường nhận dạng kênh logic LLID (Link logic ID) nhằm xác định duy nhất một ONU MAC. Trong hướng lên, các ONU phát các khung Ethernet trong các khe thời gian đã được phân bổ. ONU sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCPDU (Multipoint Control Protocol Data Unit) để gửi các bản tin “Report” yêu cầu băng thông, trong khi đó OLT gửi bản tin “Gate” cấp phát băng thông cho các ONU. Các bản tin “Gate” bao gồm thông tin về thời gian bắt đầu và khoảng thời gian cho phép truyền dữ liệu đối với ONU. OLT cũng định kỳ gửi các bản tin “Gate” tới các ONU hỏi xem chúng có yêu cầu băng thông hay không. Các ONU cũng có thể gửi “Report” cùng


22

Đồ án tốt nghiệp với dữ liệu được phát trong hướng lên. Ngoài ra, giao thức DBA cũng có thể được sử dụng trong E-PON để thực hiện cơ chế điều khiển phân bổ băng thông. Do không có cấu trúc khung thống nhất đối với hướng xuống và hướng lên, do vậy trong cấu trúc của E-PON, các khe thời gian và giao thức xác định cự ly là khác so với B-PON và G-PON. OLT và các ONU duy trì các bộ đếm cục bộ riêng và tăng thêm 1 sau mỗi 16ns. Mỗi một MPCPDU mang theo một thời gian mẫu, mẫu này là giá trị của bộ đệm cục bộ của ONU tương ứng. Tốc độ truyền dữ liệu E-PON có thể đạt tới 1Gbit/s. Một chuẩn khác cũng cùng họ với E-PON là chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON). Chuẩn này là phát triển của E-PON tại tốc độ 10Gbit/s và được ứng dụng chủ yếu trong các mạng quảng bá video số. Gbit/s PON cho phép phân phối nhiều dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn, độ phân giải cao, đóng gói IP các luồng dữ liệu video ngay cả khi hệ số chia OLT/ONT là 1:64 hoặc cao hơn. Tại thời điểm hiện tại, tốc độ chiều xuống của GPON khoảng 2.5 Gbps, và chiều lên là 1.25 Gbps. Nếu 1 OLT phục vụ duy nhất một thuê bao thì thuê bao đó có thể đuợc khai thác toàn bộ băng thông như trên, tuy nhiên thông thường trong các mạng đã triển khai tại một số nuớc trên thế giới, nhà cung cấp thường thiết kế tốc độ cho một thuê bao sử dụng PON vào khoảng 100 Mbps cho chiều xuống và 40 Mbps cho chiều lên. Với tốc độ truy nhập như vậy, băng thông đã thỏa mãn cho hầu hết các ứng dụng cao cấp như HDTV (khoảng 10 Mbps, chiều lên chiều xuống, chiều lên cho peer-to-peer HDTV). Tuy nhiên, GPON cũng có nhược điểm chính là : thiếu tính hội tụ IP; có một kết nối duy nhất giữa OLT và bộ chia, nếu kết nối này mất toàn bộ ONT không được cung cấp dịch vụ. G-PON là giao thức FSAN TDMA PON thứ 2 được định nghĩa trong chuỗi khuyến nghị G.984 của ITU-T. G-PON được xây dựng trên trải nghiệm của B-PON và E-PON. Mặc dù G-PON hỗ trợ truyền tải tin ATM, nhưng nó cũng đưa vào một cơ chế thích nghi tải tin mới mà được tối ưu hóa cho truyền tải các khung Ethernet được gọi là phương thức đóng gói G-PON (GEM – GPON Encapsulation Method). GEM là phương thức dựa trên thủ tục đóng khung chung trong khuyến nghị G.701 ngoại trừ việc GEM tối ưu hóa từ mào đầu để phục vụ cho ứng dụng của PON, cho phép sắp xếp các dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và hỗ trợ sắp xếp TDM. G-PON


23

Đồ án tốt nghiệp sử dụng cấu trúc khung GTC cho cả hai hướng xuống và hướng lên. Khung hướng xuống bắt đầu với một từ mào đầu PLOAM, tiếp sau đó là vùng tải tin GEM và/hoặc các tế bào ATM. PLOAM gồm có thông tin cấu trúc khung và sắp đặt băng thông cho ONT gửi dữ liệu trong khung hướng lên tiếp theo. Khung hướng lên bao gồm các nhóm khung gửi từ các ONT. Mỗi một nhóm được bắt đầu với từ mào đầu lớp vật lý mà có chức năng tương tự trong B-PON, nhưng cũng bao hàm tổng hợp các yêu cầu băng thông của các ONT. Ngoài ra, các trước PLOAM và các yêu cầu băng thông chi tiết hơn được gửi đi kèm với các nhóm hướng lên khi có yêu cầu từ OLT. OLT gán các thời gian cho việc gửi dữ liệu hướng lên từ cho mỗi ONT. Đặc tính

G-PON FSANvà ITU-T SG15 (G.984 series)

Cự ly tối đa OLT-ONU Chuyển mạch bảo vệ

B-PON FSAN và ITU-T SG15 (G.983 series) 155.52 Mbit/s hướng lên. 155.52 hoặc 622.08 Mbit/s hướng xuống 1:64 Scrambled NRZ 1 hoặc 2 1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống & 1310nm lên 20 km Có hỗ trợ

Khuôn dạng dữ liệu

ATM

GEM và/hoặc ATM

Hỗ trợ TDM

Qua ATM

Hỗ trợ thoại QoS Sửa lỗi hướng tới trước FEC (Forward Error Correction) Mã hóa bảo mật

Qua ATM Có (DBA)

Trực tiếp (qua GEM hoặc ATM) hoặc CES Qua TDM hoặc VoIP Có (DBA)

Không

RS(255, 239)

RS(255, 239)

AES – 128

OAM

PLOAM và ATM

AES - 128, 192, 256 GTC và ATM/GEM OAM

Không 802.3ah Ethernet OAM

Tổ chức chuẩn hóa Tốc độ dữ liệu Tỷ lệ chia (ONUs/PON) Mã đường truyền Số lượng sợi quang Bước sóng

Lên tới 2.488 Gbit/s cả 2 hướng 1:64 Scrambled NRZ 1 hoặc 2 1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống & 1310nm lên (10 – 20) km Có hỗ trợ

E-PON IEEE 802.3 (802.3ah) 1 Gbit/s cả 2 hướng 1:64 ** 8B/10B 1 1490nm xuống & 1310nm lên (10 – 20) km Không hỗ trợ Không (sử dụng trực tiếp các khung Ethernet) CES VoIP Có (ưu tiên 802.1Q)

Bảng 1.1-So sánh các chuẩn công nghệ TDMA PON [5] 1.2.3.3.WDM-PON WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA. OLT sử Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

24

Đồ án tốt nghiệp dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm-điểm. Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU. Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các bước sóng ONU như là: -

Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọn các bước sóng ONU

-

Dùng các laser điều chỉnh được.

-

Cắt phổ tín hiệu.

-

Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấp tín hiệu sóng mang tới

các ONU. -

Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bước sóng đầu ra của laser

ONU. Cấu trúc của WDM-PON được mô tả như trong Hình 1.8. Trong đó WDM-PON có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTH, các ứng dụng VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa. Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng AWG (Array Waveguide Grating). Một AWG có thể được đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời.

Hình 1.8-Cấu trúc của WDM-PON Ưu điểm chính của WDM-PON là nó khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu theo các cấu trúc khác nhau (DS1/E1/DS3, 10/100/1000 Base Ethernet…) tùy theo yêu cầu về băng thông của khách hàng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

25

Đồ án tốt nghiệp WDM-PON là chi phí khá lớn cho các linh kiện quang để sản xuất bộ lọc ở những bước sóng khác nhau. WDM-PON cũng được triển khai kết hợp với các giao thức TDMA PON để cải thiện băng thông truyền tin. 1.2.3.4.CDMA-PON Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON. Cũng giống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu cầu của khách hàng. CDMA-PON cũng có thể kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông. CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn trải trên cùng một kênh thông tin. Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa và nhận dạng thông qua bộ giải mã. Phần lớn công nghệ ứng dụng trong CDMAPON tuân theo phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp. Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0, 1 (tương ứng với mỗi tín hiệu) được mã hóa thành chuỗi ký tự dài hơn và có tốc độ cao hơn. Mỗi ONU sử dụng trị số chuỗi khác nhau cho kí tự của nó. Để khôi phục lại dữ liệu, OLT chia nhỏ tín hiệu quang thu được sau đó gửi tới các bộ lọc nhiễu xạ để tách lấy tín hiệu của mỗi OUN. Ưu điểm chính của CDMA-PON là cho phép truyền tải lưu lượng cao và có tính năng bảo mật nổi trội so các chuẩn PON khác. Tuy nhiên, một trở ngại lớn trong CDMA-PON là các bộ khuếch đại quang đòi hỏi phải được thiết kế sao cho đảm bảo tương ứng với tỷ số tín hiệu/tạp âm. Với hệ thống CDMA-PON không có bộ khuếch đại quang thì tùy thuộc vào tổn hao bổ sung trong các bộ chia, bộ xoay vòng, các bộ lọc mà hệ số tỷ chia ONU/OLT chỉ là 1:2 hoặc 1:8. Trong khi đó với bộ khuyếch đại quang hệ số này có thể đạt 1:32 hoặc cao hơn. Bên cạnh đó các bộ thu tín hiệu trong CDMA-PON là khá phức tạp và giá thành tương đối cao. Chính vì những nhược điểm này nên hiện tại CDMA-PON chưa được phát triển rộng rãi. Tổng kết: Công nghệ PON ra đời mở ra một tiềm năng lớn cho triển khai các dịch vụ băng rộng và thay thế dần các hệ thống mạng truy nhập cáp đồng băng thông hẹp và chất


26

Đồ án tốt nghiệp lượng thấp. Các mạng PON sử dụng hệ thống thông tin quang có băng thông rộng tỷ lệ lỗi bít thấp (BER: 10-10÷ 10-12) Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là giá thành xây dựng tương đối cao và không triển khai được tại những địa hình phức tạp. Có nhiều chuẩn PON khác nhau, do vậy trong thực tế tùy vào yêu cầu thực tế mà một nhà khai thác cần lựa chọn giải pháp cho phù hợp. 1.2.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON 1.2.4.1.Bộ tách/ghép quang Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại. Thiết bị này là Coupler quang. Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau. Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số. O2

I1

O3 a) I1

O2

I2 b) I1

O2

I2

O3 c)

Hình 1.9-Cấu hình cơ bản bộ ghép/tách quang Hình 1.9a có chức năng tách tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y.Hình 1.9b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra. Hình 1.9c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2. Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao. Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2.


27


Hình 1.10-Coupler hình sao và phương pháp tạo 1x8 coupler từ Y coupler Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau: •

Tổn hoa tách (split loss): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với

năng lượng đầu vào (db). Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB. Hình 1.10 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler. Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra. Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mô hình này mỗi đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào. •

Tổn hao chèn (insert loss): Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo

của quá trình xử lý. Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB.


28

Đồ án tốt nghiệp •

Hệ số định hướng (Directivity): Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ

từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB. Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một bộ kết hợp (Combiner). Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo có tính không đối xứng cao ( với tỷ số tách là 5/95 hoặc 10/90). Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng. Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”. Bộ tách/ghép quang được sử dụng rộng rãi trong mạng PON để xây dựng thành 4 topo cơ bản nhất về mạng là : hình cây , vòng , bus và hình cây & đường tải dự phòng. 1.2.4.2.Topo hình cây Thông thường trong các mạng đều được xây dựng theo topo hình cây trong đó chỉ sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia. Từ bộ chia, sẽ có một đường cáp quang kết nối từ mỗi ONU tới mạng. Về nguyên tắc, các mạng đều sử dụng topo hình cây với kiến trúc bộ chia ghép tầng và trong thực tế, trong một số mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là topo hình sao. Ưu điểm đầu tiên của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố của mạng. Ưu điểm thứ hai chính là tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau. Kiến trúc này cho phép các ONU được sử dụng chung OLT về cả khả năng xử lý và truyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giá thành các thiết bị mạng. Hơn nữa, kết nối điểm – đa điểm của mạng PON cũng giảm trạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm - điểm thông thường. Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng bị giới hạn bởi suy hao của các bộ ghép hình sao và nhu cầu băng thông của người sử dụng. Bởi vì dung lượng của người sử dụng phải phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đó cũng là một lý do hạn chế số lượng người sử dụng. Topo hình sao với 1 bộ chia là kiểu topo thường gặp trong thực tế bởi khả năng có thể chuyển đổi dễ dàng và hiệu quả từ công nghệ băng hẹp (2Mbps cho mỗi khách Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

29

Đồ án tốt nghiệp hàng) lên tới mạng quang băng rộng (1Gbps cho mỗi khách hàng). Khi số khách hàng yêu cầu dịch vụ tăng lên, mạng PON với topo hình sao sẽ được chia nhanh chóng thành các mạng nhỏ hơn bằng cách thêm bộ chia và OLT trong mạng. Vì vậy, topo dạng này rất dễ dàng triển khai mở rộng mạng cho nhà cung cấp. Thông thường, PON hình sao thường sử dụng các bộ ghép/chia quang thụ động hình sao mở rộng ( passive optical broadcast star coupler) do khả năng cung cấp số lượng cổng vào hoặc ra một cách linh hoạt của bộ chia này. Nhà cung cấp có thể dễ dàng phân phối một số lượng cổng phát hữu hạn cho số cổng ra thay đổi (và ngược lại) hoặc có thể phân phối một số lượng cổng phát và thu thay đổi nếu sử dụng thêm kỹ thuật WDM (cách này thường có giá thành cao trong thực tế) với bộ chia này. Nhược điểm của topo hình cây là chỉ có thể sử dụng cho kỹ thuật đa truy nhập TDMA trong đó các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và các ONU được chỉ định cho mỗi đường kết nối riêng biệt từ mỗi ONU tới mạng để tránh xảy ra xung đột dữ liệu giữa các ONU khi phát lên OLT thông qua bộ chia. Thông thường, trong mạng kiểu này việc chỉ định khe thời gian sẽ được cấp phát động cho mỗi ONU khi liên kết vào mạng. Một điểm yếu khác của topo hình sao là độ tin cậy của mạng không cao, mỗi khi tổng đài phía nhà cung cấp CO gặp sự cố sẽ gây sự cố cho toàn mạng. Ngoài ra cần phải kể đến những sự cố khác trong mạng như lỗi tại bộ khuếch đại, tại bộ truyền nhận, … tại node trong mạng cũng ảnh hưởng tới chất lượng của toàn mạng. Một lý do dễ dàng nhận thấy nữa là do hạn chế tại các kết nối sau bộ chia làm cho khách hàng luôn luôn bị hạn chế tốc độ bởi 1 giá trị hằng định dẫn đến làm giảm tính tận dụng của mạng trong việc phân phối băng thông cho người dùng.

Hình 1.11–Topo hình cây


30

Đồ án tốt nghiệp 1.2.4.3.Topo dạng bus Topo dạng bus cũng sử dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải những vấn đề tương tự như topo hình cây ở trên. Mỗi người sử dụng được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào mạng). Tuy nhiên, topo này cũng có nhược điểm là : tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh. Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều.

Hình 1.12–Topo dạng bus 1.2.4.4.Topo dạng vòng Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền. Trong topo dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt. Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU. Do đó, topo dạng vòng cũng có những nhược điểm tương tự như topo dạng bus về dự trữ công suất trên đường truyền. Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topo dạng vòng. Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

31

Đồ án tốt nghiệp trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất nhiên, số lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong mạng có topo dạng bus và hình cây.

Hình 1.13-Topo dạng vòng 1.2.4.5.Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ Topo dạng này được sử dụng như 1 loại topo chuẩn cho mạng hình cây nhưng trong đó sử dụng 2 cáp quang cho OLT nhằm mục đích tăng sự mềm dẻo trong việc khai thác mạng. Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt thì cáp còn lại vẫn có khả năng hoạt động trong mạng. Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2 đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khác nhau nhằm mục đích tránh khả năng xảy ra 2 đường cáp quang bị đứt tại cùng một thời điểm. Các bộ ghép quang hình sao cũng được sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch một cách chủ động trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONU tham gia vào mạng hoặc khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lên gấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi ONU. Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được giảm một nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trong mạng mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào mạng.

Hình 1.14–Topo hình cây với đường tải phụ


32

Đồ án tốt nghiệp Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp có thể cung cấp một mạng có khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng 2 chiều. Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và topo hình cây mang lại khả năng phân phối mềm dẻo và tối ưu trong việc thiết kế mạng quang trên từng đoạn như trong hình vẽ 1.15. Một phương pháp tiếp cận khác là sự kết hợp của 2 topo dạng vòng trên mỗi đoạn mạng cung cấp khả năng linh hoạt trong việc phân phối mạng (hình 1.16). Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng những giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong quá trình thiết lập mạng. Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu trong việc thiết lập và xây dựng mạng này.

Hình 1.15–Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng

Hình 1.16–Topo dạng vòng kết hợp


33

Đồ án tốt nghiệp 1.2.5. PON MAC layer Ngoài kiến trúc MAC thông thường trong Ethernet, mạng PON sử dụng một số giao thức khác trong việc điều khiển lưu lượng mạng và tránh xung đột. 1.2.5.1. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol) Để hổ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển. MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON. Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report. Bản tin Gate được gởi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền. Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý. Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC (loại 88-08) và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC. Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường. Trong mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đó. Trong mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU được khởi tạo. Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh. Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau: 1. OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền. Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là: + - ; với là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởi tạo có thể dùng. 2. OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó. Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. 3. Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate. Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate.


34

Đồ án tốt nghiệp 4. Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạo Report). Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gởi. 5. Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết

địa chỉ MAC của nó và thời gian Round-trip. Như được minh họa ở hình 1.17, thời gian Round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report.

Hình 1.17-Thời gian Round-trip Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin Report có thể xung đột. Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xung đột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó. Nếu như ONU không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đó, nó sẽ kết luận rằng sự xung đột đã xãy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate ngẫu nhiên. Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột. Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:


35

Đồ án tốt nghiệp 1. Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu

để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (hình 1.18).

Hình 1.18-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate 2 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ. Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó. 3. Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền. ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được. Nếu sự sai biệt đã vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vào mode chưa khởi tạo. Ở mode này, ONU không được phép truyền. Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại. 4. Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian. Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền dẫn, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

36

Đồ án tốt nghiệp khung Ethernet. ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn. Nếu phần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong khe thời gian hiện tại. Bản tin Report sẽ được ONU gởi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu. Các bản tin Report có thể được gởi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT. Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC (Hình 1.19). Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU. Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu.

Hình 1.19-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC (lớp này chịu trách nhiệm phân bổ băng tần). Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi và về với mỗi nguồn ONU như trong hình 1.19. Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của RTT mới và RTT được tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt độ thay đổi. Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại.


37

Đồ án tốt nghiệp Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởi nhóm 802.3ah của IEEE. Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa ra các giải pháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập. 1.2.5.2. PON với kiến trúc IEEE 802 Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức: Share Medium và song công. Trong phuơng thức chia sẽ trung gian (Share Medium), tất cả các trạm được kết nối đến miền truy nhập đơn, ở đó phần lớn một trạm có thể phát tại một lúc và tất cả các trạm có thể nhận bất cứ lúc nào. Trong phương thức song công, đó là sự kết nối điểm-điểm kết nối hai trạm và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đó, các cầu không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nó. Nói khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu và có thể truyền thông với nhau mà không cần thông qua cầu. Phương thức này đã tạo ra khả năng các người dùng được kết nối đến các ONU khác nhau trong cùng mạng PON và có thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cần xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn. Point to Point Emulation Trong mô hình này, OLT phải có N cổng MAC, một cổng cho một ONU( hình 1.20). Khi một khung được gửi xuống (từ OLT đến ONU), lớp con PtPE trong OLT sẽ chèn LinkID kết hợp với cổng MAC cụ thể vào khung dữ liệu. Các khung sẽ được chia sẽ cho từng ONU nhưng chỉ một lớp MAC của nó. Ở lớp MAC của các ONU còn lại sẽ không nhận được khung này. Trong khả năng này, nó sẽ xuất hiện nếu chỉ khi khung được gửi theo kết nối PtP chỉ cho một ONU.


38

Đồ án tốt nghiệp Chèn LinkID kết hợp với cổng MAC

Chấp nhận khung nếu LinkID phù hợp

Từ chối khung nếu LinkID không phù hợp

Hình 1.20-Hướng xuống trong PtPE Ở hướng lên, ONU sẽ chèn LinkID được ấn định của nó vào mào đầu của mỗi khung được chuyển. Lớp con PtPE trong OLT sẽ tách khung để nhận biết cổng MAC chính xác dựa vào LinkID duy nhất cho mỗi ONU.(hình 1.21).

Tách khung theo cổng trong LinkID

Chèn LinkID được ấn định cho ONU

Hình 1.21-Hướng lên trong PtPE Cấu hình PtPE thích hợp với cầu khi mỗi ONU được kết nối đến một cổng độc lập của cầu. Cầu được đặt trong OLT sẽ chuyển tiếp lưu lượng vào trong ONU giữa các cổng của nó.


39


Hình 1.22-Cầu giữa các ONU trong PtPE Share Medium Emulation Trong SME, bất kỳ một Node nào (OLT hay ONU) sẽ chuyển khung dữ liệu và sẽ được nhận ở tất cả các Node (OLT và ONU). Trong hướng xuống, OLT sẽ chèn một LinkID quảng bá mà mọi ONU đều chấp nhận (hình 1.23). Để đảm bảo hoạt động Share Medium cho hướng lên, lớp con SME trong OLT phải nhản ánh tất cả các khung trở lại hướng xuống để tất cả các ONU nhận chính khung dữ liệu của nó thì lớp con SME ở ONU chỉ thừa nhận khung nếu LinkID của khung đó khác với LinkID của nó.

Chèn LinkID quảng bá

Chấp nhận tất cả các khung ngoại trừ khung của nó

Hình 1.23-Hướng truyền xuống trong SME Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

40


Chấp nhận tất cả các khung và phản hồi lại hướng xuống

Khi truyền khung, chèn LinkID Khi nhận khung, từ chối LinkID của chính nó

Hình 1.24-Hướng truyền lên trong SME SME chỉ yêu cầu một cổng MAC trong OLT. Chức năng vật lý của lớp này (lớp con SME) là cung cấp truyền thông ONU đến ONU, không cần cầu liên kết. Bằng sự kết hợp với chuẩn 802 cũ, mạng PON mở ra một hướng đi mới cho thế hệ mạng quang thụ động. Mạng PON sẽ sử dụng kết hợp 2 mô hình mạng điểmđiểm và điểm-đa điểm nhằm tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và các dịch vụ video trong thời gian thực với chất lượng cao.


41


Chương II : KIẾN TRÚC BỘ THU-PHÁT TRONG MẠNG PON 2.1.Đặc điểm chung Bộ thu phát quang chiếm vai trò quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang hiện nay bởi chúng thực hiện nhiệm vụ cơ bản nhất trong mạng quang là biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Các bộ thu phát quang sử dụng laser bán dẫn và thiết bị nhận được kết hợp trong một linh kiện tích hợp đã làm giảm giá thành thiết bị mang lại ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc truyền nhận tín hiệu tương tự và số thông qua sợi quang. Transceiver (là thuật ngữ kết hợp của transmitter và receiver) được xem là thành phần chính làm giá thành của việc lắp đặt mạng quang tăng lên khá cao. Chính vì vậy, trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu để thiết kế bộ thu-phát có giá thành rẻ, hiệu suất cao và gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng trong thực tế. Cáp quang đã được biết đến từ những năm 1990. Ban đầu, mạng sử dụng cáp quang chỉ có tốc độ khoảng 100Mbps. Sau đó, mạng này được nâng cấp có thể đạt tới tốc độ từ 150-600 Mbps dựa vào kiến trúc SDH. Sau đó, kiến trúc mạng sử dụng các gói ATM đã được thay thế mạng Ethernet trước đó nhằm nâng cao tốc độ của mạng. Từ đó, chuẩn đầu tiên cho mạng PON là G.893 được ITU-T đưa ra năm 1998. Đồng thời, hệ thống mạng PON tốc độ 100Mbps đã được phát triển và đưa vào sử dụng trong thương mại nhưng chỉ trong một số vùng giới hạn và giá thành khá cao. Trong khoảng thời gian 3-4 năm sau, tốc độ mạng PON được cải thiện lên tới hơn 1Gbps và ủy ban IEEE đã đưa ra chuẩn 802.3 ah (chuẩn EPON) vào tháng 6 năm 2004. Một vài nhà cung cấp tại Nhật Bản như NTT đã đề xuất một hệ thống với chuẩn GPON dành cho các ứng dụng thực tế. Cùng trong thời gian này, ITU-T đưa ra chuẩn GPON với tốc độ luồng lên 1,244 Gbps và tốc độ luồng xuống lên tới 2,488 Gbps. Các bộ thu phát quang tuân theo những chuẩn này được đưa ra thành các chip và các module cùng với sự phát triển của các thiết bị truyền tín hiệu quang đã nâng cao tốc độ của các ứng dụng trong mạng FTTH.


42

Đồ án tốt nghiệp 2.1.1.Yêu cầu đối với mạng PON Bảng 2.1 dưới đây đưa ra tỉ số chia và dự trữ công suất cho từng kiến trúc mạng PON ở 3 chuẩn khác nhau. BPON có thể cung cấp từ 16 đến 32 ONU và khả năng phân phối băng thông linh hoạt. Cả 2 mạng BPON và GPON đều tuân thủ theo 3 lớp A, B, C của chuẩn G.982 của ITU-T với dự trữ công suất lần lượt là 20, 25, 30 dB giữa OLT và ONU. GPON được nâng cấp từ BPON với tốc độ cao hơn có thể sử dụng chung cho đến 128 node. Đồng thời, GPON cho phép tỉ số chia cao hơn mang BPON khá nhiều tức là có thể phục vụ số lượng thuê bao cao hơn so với BPON rất nhiều nhưng nó cũng bị hạn chế bởi dự trữ công suất. Chuẩn 802.3 ah cũng xác định rõ khoảng cách truyền nhận chỉ từ 10-20 km. Lớp vật lý cũng sử dụng chuẩn 1000BASE-TX10 hoặc 1000BASE-TX20. EPON có thể cung cấp tối thiểu 16 bộ chia quang chỉ cần hiệu suất có thể vượt qua một giá trị giới hạn chấp nhận được, tỉ số chia cũng không được xác định rõ ràng bởi nó phụ thuộc chính vào suy hao của cáp quang và khả năng thiết bị lớp vật lý trong thực tế. Trong thực tế, mạng EPON có thể cung cấp tỉ số chia 1:32 hoặc 1: 64 tùy thuộc vào dự trữ công suất trong thực tế.

Bảng 2.1-Dự trữ công suất [6] Dự trữ công suất quang trong từng được quyết định bởi các nhà cung cấp khác nhau do chúng phụ thuộc trực tiếp vào các linh kiện tích cực của nhà sản xuất như laser, bộ thu và PON chip. Thông thường các thiết bị trong mạng BPON sử dụng theo chuẩn lớp B nhưng một vài tuyến truyền dẫn có độ dài 20km trong thực tế yêu


43

Đồ án tốt nghiệp cầu dự trữ công suất cần thiết cao hơn. Chính điều đó làm cho một số thiết bị tích cực trong thực tế phải có dự trữ công suất lên tới 26,5dB; nhờ vậy làm tăng khả năng ghép với các thiết bị khác trong mạng, tăng tỉ số chia của mạng BPON đồng thời cho phép mạng có khả năng chấp nhận dự trữ công suất là 28dB. Do đó, lớp B+ được đưa ra trong chuẩn G.982. Với chuẩn G.982 lớp A thường được sử dụng cho các ứng dụng của mạng FTTC thì chuẩn G.982 lớp B và B+ được sử dụng trong mạng FTTP ngày nay với chất lượng và tỉ số chia tốt nhất. Hơn nữa, mặc dù chuẩn lớp B+ có chất lượng tốt hơn nhưng nó không có giá thành cao như mạng tuân theo chuẩn lớp C (cung cấp chất lượng mạng có dự trữ công suất cao hơn) nhờ các IC có độ nhạy cao và tạp âm nhỏ. Trong thực tế các nhà cung cấp mạng thường sử dụng chuẩn B+ để cung cấp mạng cho thuê bao sử dụng. Trong tương lai, các nhà cung cấp sẽ đưa tới những thiết bị có thể sử dụng cho tuyến truyền dẫn khoảng cách xa hơn (từ 30-40km) với tỉ số chia lên tới 1:128 như chuẩn lớp C. 2.1.2.Lớp vật lý mạng PON Đặc điểm lớp vật lý trong mạng phụ thuộc trực tiếp vào tính chất vật lý của cơ sở hạ tầng mạng mà cụ thể trong mạng PON là khả năng biến đổi tín hiệu quang-điện và ngược lại, khả năng khôi phục định thời cho xung clock và dữ liệu được truyền trong mạng. Lớp vật lý sẽ trực tiếp mang dòng dữ liệu nhận được truyền tải lên các lớp trên và cũng chịu trách nhiệm biến đổi dữ liệu từ các lớp trên chuyển tới thành các tín hiệu quang để truyền đi. Vì vậy, đặc điểm vật lý của mạng PON sẽ quyết định bởi công suất phát, độ nhạy thu cho từng mạng với dự trữ công suất và tốc độ truyền tải khác nhau. Bảng 2.2 dưới đây xác định đặc điểm của lớp vật lý trong mạng BPON theo chuẩn G.982.


44


Bảng 2.2-Tính chất lớp vật lý của mạng BPON [7] Sau khi đưa ra chuẩn BPON, mạng GPON được đề xuất để thay thế BPON bởi khả năng truyền tải tốc độ cao. Trong khi GPON được dùng để phục vụ tất cả các dịch vụ khác nhau thì mục đích thiết kế mạng EPON chỉ dành để truyền tải các gói dữ liệu trong mạng Ethernet. ITU-T đã cố gắng đưa ra một chuẩn chung cho lớp vật lý mạng EPON nhưng bởi tính chất khác nhau giữa 2 mạng này nên đặc điểm lớp vật lý của EPON và GPON có sự khác biệt theo bảng 2.3.


45


Bảng 2.3-Lớp vật lý mạng EPON và GPON [8] 2.1.3.Định thời cho chế độ burst-mode trong mạng PON Truyền tải chế độ burst-mode trong mạng PON theo hướng lên yêu cầu định thời rất nghiêm ngặt giữa OLT và ONU. Hình 2.1 dưới đây minh họa định thời cho chế độ burst-mode của lớp vật lý mạng PON với dòng dữ liệu tuyến lên phát ra từ ONU tới OLT. Kỹ thuật đa truy nhập và khả năng truyền nhận chế độ burst-mode yêu cầu phần phát của ONU cần phải truyền đi tín hiệu định thời mở đầu trong khe thời gian được chỉ định bởi lớp MAC; nói cách khác là công suất tín hiệu laser và tỉ số phân biệt mức tín hiệu cần phải ổn định trong khoảng thời gian này đồng thời không thay đổi trước khi khe thời gian hoàn thành công việc. Trong suốt các khe thời gian chỉ định cho các ONU, phần phát của mỗi ONU phải được tắt hoặc không được truyền đi tín hiệu quang; nếu không nó sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh và ảnh hưởng tới dòng tín hiệu tuyến lên. Điều này yêu cầu các chuyển mạch phía phát của ONU phải có thời gian chuyển mạch nhanh (thông thường có thời gian lên và xuống của tín hiệu trong khoảng dưới ns) sau khi bật hoặc tắt nguồn hay khi bắt đầu tiến hành kết nối với mạng.


46


Hình 2.1-Định thời cho chế độ burst mode [9] Tóm lại, có 2 yêu cầu cơ bản cho phần phát của ONU là : có thời gian chuyển mạch và khởi động nhanh bởi nó chiếm vai trò rất quan trọng đối với thiết bị có tỉ số chia cao (khả năng nhanh chóng khôi phục lại kết nối sau khi có lỗi xảy ra trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn của số lượng ONU có trong mạng), có khả năng nhanh chóng phát hiện sự trôi của tín hiệu trong mạng (điều này rất quan trong khi cần truyền tải những gói dữ liệu lớn chiếm khoảng thời gian khá dài ở trong mạng). Phần thu của OLT phải có độ nhạy thu cao (phát hiện những lỗi trong mạng do sự thay đổi nhỏ của công suất tín hiệu phát), dải động lớn và đáp ứng nhanh. Thông thường, mỗi ONU có suy hao truyền dẫn khác nhau tới OLT do khoảng cách khác nhau của các ONU tới OLT; bởi vậy, OLT cần phải nhận biết nhanh chóng các tín hiệu burst có biến thiên về biên độ và pha rất lớn ở trong mạng. Trong trường hợp xấu nhất xảy ra là khi một tín hiệu burst có biên độ rất thấp theo sau là tín hiệu burst với biên độ lớn hơn rất nhiều thì OLT cần phải nhanh chóng xác định sự biến thiên giữa biên độ 2 tín hiệu với thời gian xác lập rất ngắn. Bảng 2.4 dưới đây tổng kết định thời trong mạng BPON, GPON và EPON. Như bảng dưới đây, mạng BPON và GPON có yêu cầu định thời rất nghiêm ngặt. Trong mạng BPON, các khung dữ liệu tuyến lên gồm 53 khe thời gian, mỗi khung gồm 3 byte PLP và 1 byte CRC đặt ở phần đầu mỗi khung. Khi 2 khe thời gian liên tục được cấp phát cho ONU khác nhau thì trong thời gian truyền 4 byte này (chiếm khoảng 205.8 ns) đủ thời gian để làm tắt laser phát ở ONU đầu tiên , bật laser phát tại ONU thứ 2, thực hiện khuếch đại và đồng bộ xung clock ở OLT. GPON có các tham số yêu cầu định thời chặt chẽ hơn. Ví dụ, trong mạng GPON với tốc độ 1,244Gbps chỉ cần dùng 32 bit trong khoảng thời gian bảo vệ để thực hiện quá trình bật và tắt laser, 44 bit PLP được chỉ định cho việc điều khiển khuếch đại và đồng Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

47

Đồ án tốt nghiệp bộ xung clock phía thu. Bảng 2.5 liệt kê các đặc trưng cơ bản của chuẩn GPON lớp B dùng cho lớp vật lý PMD (Physical Medium Dependant) trong tuyến lên do ITUT đề xuất trong chuẩn G984.2.

Bảng 2.4-Định thời chế độ burst mode cho GPON và EPON [8,10] Trong rất nhiều trường hợp, dải động của tín hiệu tới từ rất nhiều các ONU khác nhau yêu cầu thời gian thiết lập khá dài so với khoảng thời gian bảo vệ được chỉ định trước. Để giảm thời gian điều chỉnh dải khuếch đại cần thiết thì trong mạng BPON và GPON thực hiện phương pháp PLM (Power Leveling Mechanism) mà theo phương pháp này, OLT sẽ hướng dẫn các ONU khác nhau tự điều chỉnh công suất phát của bản thân nó. Vì vậy, mức tín hiệu thu được tại OLT của các ONU khác nhau sẽ gần giống nhau không cần phải điều chỉnh khuếch đại và thời gian thiết lập.


48


Bảng 2.5-Tham số cơ bản cho chuẩn GPON lớp B cho tầng PMD [8] Bảng 2.6 liệt kê tất cả các tham số chính của giao tiếp quang PMD và đặc điểm tín hiệu và định thời của tầng vật lý trong mạng EPON tuyến lên với khoảng cách truyền dẫn là 20km : 1. Laser Fabry- Perot được giả thiết sử dụng trong mạng này. Giá trị của độ rộng phổ cho phép được liệt kê trong chuẩn 802.3ah. 2. Mạng phân phối quang ODN : PX10 (0.5-10km, 5-20dB); PX20 (0.5-20km, 5-24dB) 3. Trong trường hợp tất cả các tham số trong mạng ở tình trạng xấu nhất thì tán

xạ đơn sắc trong mạng cần phải có giá trị dưới 1,5dB. Tán xạ đơn sắc của mạng là một thành phần quan trọng của tham số TDP (Transmit and Dispersion Penalty). 4. Dải động của phía thu được liệt kê theo giá trị ngưỡng trong từng trường hợp

Tuy nhiên, mạng EPON cũng có nhiều đặc điểm khác biệt so với 2 mạng trên tại tầng vật lý. Ban đầu theo chuẩn 802.3, có rất nhiều các giải pháp khác nhau cho việc định thời chế độ burst mode như việc sử dụng laser có khoảng thời gian thiết lập ngắn, sử dụng mạch tự điều chỉnh khuếch đại AGC (Auto-gain Control) và


49

Đồ án tốt nghiệp mạch khôi phục xung clock cùng dữ liệu CDR (Clock Data Recovery) tương tự như trong mạng GPON. Sau khi phân tích và thử nghiệm, chuẩn 802.3 xác định các tham số cố định về định thời như sau : thời gian bật laser là 512 ns, thờigian tắt laser là 512 ns, thời gian thiết lập của phía thu dưới 400ns. Do các thiết bị ONU là những thiết bị được sản xuất hàng loạt nên nó cần phải được thiết kế một cách đơn giản và chi phí thấp nhất. Do đó, các thành phần của PMD phải được sản xuất với số lượng lớn và không cần phải sử dụng bất cứ một giao tiếp số nào khác đồng thời cần có thời gian bật/tắt laser ổn định. Ngược lại với ONU, OLT là thiết bị có giá thành cao nên nó chỉ là thiết bị đơn nhất được sử dụng ở trong từng mạng cụ thể nên nó không cần phải có các giá trị định thời xác định. Trong mạng thực tế, OLT được phép tự điều chỉnh các đặc điểm phần thu của nó (giá trị thiết lập phía thu,…).

Bảng 2.6-Các tham số PMD chính trong mạng EPON [11] Đặc điểm định thời là đặc tính kỹ thuật quan trọng quyết định khả năng khai thác và mở rộng mạng EPON trong thực tế. Hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị quang sử dụng trong mạng EPON nên hiệu suất và số lượng các bộ thu-phát trong mạng EPON ngày càng cao với giá thành hạ thấp. Trong thời gian này, các nhà cung cấp đang tiến hành xây dựng các thiết bị mạng GPON dựa trên các yêu cầu


50

Đồ án tốt nghiệp theo chuẩn của ITU-T. Do đặc điểm định thời chặt chẽ và dải động rất rộng nên tính chất kỹ thuật của mạng GPON chạy chế độ burst mode rất phức tạp so với mạng BPON và EPON nên hiện nay mới chỉ có vài chip OLT dùng cho chuẩn GPON 1,244 Gbps được bán trên thị trường.

2.2. Kiến trúc bộ thu-phát trong mạng Các bộ thu-phát trong mạng PON được phân chia thành các loại khác nhau theo bước sóng, tốc độ truyền dữ liệu, giao tiếp quang-điện, dải nhiệt độ hoạt động,… Các nhà sản xuất cung cấp các thiết bị này bắt đầu từ việc xây dựng các linh kiện rời rạc cho tới việc tổ hợp chúng lại trên một chip bán dẫn hoặc chế tạo thành các module. Hình 2.2 dưới đây minh họa một số các bộ thu-phát được sử dụng trong thực tế các mạng thông tin quang hiện nay. Thông thường, kiến trúc các bộ thu-phát đều dựa trên các chip quang điện tử rời rạc với các thành phần được đóng gói theo chuẩn sử dụng trong công nghiệp. Bởi vì giá thành của các bộ thu-phát này khá cao nên việc sản xuất hàng loạt vẫn là yêu cầu bức thiết cần được giải quyết.

Hình 2.2–Một vài bộ thu-phát sử dụng trong mạng quang Bộ thu-phát trong mạng quang là các thiết bị truyền-nhận song công sử dụng bước sóng khác nhau cho việc phát và thu tín hiệu quang giữa OLT tại phía nhà cung cấp và ONU ở phía thuê bao sử dụng. Hiện nay, có 2 chuẩn chính cho bộ thuphát là : thiết bị diplexer và triplexer. Với bộ thu-phát kiểu diplexer, bước sóng sử dụng theo chuẩn dùng trong công nghiệp với 1310nm cho dòng dữ liệu tuyến lên và 1490nm cho dòng dữ liệu tuyến xuống. Với thiết bị dạng triplexer, bước sóng 1550nm được chỉ định cho việc phát quảng bá tín hiệu video tương tự cho dòng dữ


51

Đồ án tốt nghiệp liệu hướng xuống. Điều đó cũng có nghĩa là tín hiệu video số được truyền trên bước sóng 1490nm ở tuyến xuống qua công nghệ IP. Để nhanh chóng phát triển FTTH, giá thành của các bộ thu-phát quang cần phải được giảm xuống một cách hợp lý; cụ thể là trong mạng FTTH thì giá thành của mạng quyết định chủ yếu bởi giá thành của thiết bị ONU còn thiết bị OLT tuy có giá thành cao nhưng nó được chia sẻ bởi rất nhiều người sử dụng ở trong mạng. Bởi vậy, giá thành bộ thu-phát ở phía ONU chiếm vai trò quan trọng trong việc hạ chi phí sử dụng mạng. Hiện nay, trong công nghệ mạng PON tồn tại rất nhiều thách thức về mặt kỹ thuật cho việc thiết kế các bộ thu-phát bởi một số lý do chính sau : 1. OLT có công suất quang phát ra lớn và có độ nhạy cao để bù lại suy hao của bộ chia và đường truyền cáp quang kết nối từ nhà cung cấp tới người sử dụng. 2. Kỹ thuật truyền tín hiệu quang chế độ burst-mode dùng cho dòng dữ liệu lên.

3. Hạ giá thành đóng gói các thiết bị quang 4. Tích hợp các chức năng số và tương tự trên một IC. 2.2.1. Sơ đồ khối của ONU/OLT Hình 2.3 dưới đây minh họa sơ đồ khối của bộ thu-phát sử dụng trong mạng PON trong kiến trúc lớp vật lý trên một chip cho cả 2 chế độ burst-mode và chế độ truyền nhận liên tục. Đây là những khối cơ bản nhất trong kiến trúc bộ thu, phát của mạng PON. Trong sơ đồ khối, bên phía ONU gồm bộ thu dòng dữ liệu tuyến xuống (Rx) và bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên (Tx) còn bên phía OLT thì ngược lại Tx của dòng dữ liệu tuyến xuống và Rx của dòng dữ liệu tuyến lên. Bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên gồm bộ điều khiển laser burst-mode và một laser Fabry- Perot trong khối phát tín hiệu quang TOSA (Transmit Optical Sub-Assembly). Bộ thu dữ liệu tuyến xuống gồm một diode PIN hoặc APD cùng bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA (Transimpedance Amplifier) trong khối nhận tín hiệu quang ROSA (Receive Optical Sub-Assembly), một bộ khuếch đại giới hạn nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu điện sau khối TIA tới giá trị đủ lớn để khối khôi phục dữ liệu CDR có thể khôi phục lại tín hiệu xung clock và dữ liệu được phát đi. Trong cả hai trường hợp của


52

Đồ án tốt nghiệp ONU và OLT, bộ thu và phát cùng được kết hợp trên một đường truyền cáp quang thông qua một bộ ghép WDM.

Hình 2.3–Sơ đồ khối kiến trúc thu-phát trong mạng PON Có 3 loại chip chạy chế độ burst-mode chính được xem như là thiết bị chủ chốt trong mạng PON để truyền tín hiệu quang tuyến lên theo chế độ burst-mode là : BM-LDD (Burst-mode Laser Diode Driver) với khả năng điều khiển công suất nhanh và chính xác; đầu thu PIN và APD/TIA có độ nhạy thu cao và dải thông rộng kết hợp với bộ tiền khuếch đại bên phía đầu thu; BM-CDR (Burst-mode Clock and Data Recovery) với khả năng nhanh chóng khôi phục lại dòng dữ liệu nhận được. Những chipset này trong mạng PON là thành phần quan trọng quyết định hiệu suất và chất lượng hoạt động của hệ thống. Với kiến trúc bộ thu-phát như hình 2.3, các khối bộ thu-phát được nhóm lại thành 2 khối chính là khối xử lý tín hiệu quang và khối xử lý tín hiệu điện. Khối xử lý tín hiệu quang gồm LD (Laser Diode) và PD (Photodiode) dạng TO-CAN (như hình 2.10), bộ lọc WDM được gọi là bộ xử lý tín hiệu quang 2 chiều BOSA (Bidirection Optical Sub-Assembly). Bộ lọc WDM được đặt nghiêng 450 với ánh sáng tới để tách hoặc ghép tín hiệu tuyến lên 1310 nm hoặc tín hiệu tuyến xuống 1490 nm


53

Đồ án tốt nghiệp (1550 nm) như hình 2.12. Khối xử lý tín hiệu điện gồm các IC tương tự xử lý tín hiệu đầu vào. Trong xu hướng hiện nay, các IC này được tích hợp trên cùng một chip với bộ giới hạn khuếch đại và bộ điều khiển laser chế độ “burst mode”. Sự tích hợp cao hơn với các khối CDR và khối chức năng truyền nhận tín hiệu dị bộ SerDes (Serializer/Deserializer) với bộ vi xử lý PON MAC đang được thực hiện. Hình dưới đây là sơ đồ khối của một IC điều khiển MAC tích hợp với SerDes.

Hình 2.4-Sơ đồ khối IC MAC Control 2.2.2. Thiết bị thu và phát tín hiệu quang 2.2.2.1.Thiết bị phát quang Trong điều kiện thông thường, hầu hết các vật liệu đều hấp thụ ánh sáng hơn là phát xạ ánh sáng. Quá trình hấp thụ liên quan tới việc chuyển đổi mức năng lượng từ trạng thái nền tới trạng thái kích thích của điện tử. Khi photon tới, điện tử sẽ hấp thụ năng lượng photon để chuyển mức năng lượng và quá trình hấp thụ xảy ra. Quá trình phát xạ là quá trình xảy ra hoàn toàn ngược lại, điện tử từ trạng thái kích thích chuyển về trạng thái nền sẽ phát xạ ra photon có năng lượng bằng hiệu 2 mức năng lượng trên. Quá trình phát xạ gồm 2 loại : phát xạ kích thích và phát xạ tự phát. Trong trường hợp phát xạ tự phát, điện tử chuyển mức năng lượng một cách ngẫu nhiên từ trạng thái kích thích trở về trạng thái nền và các photon phát xạ một cách ngẫu nhiên, không có một sự liên hệ về pha nào giữa chúng. Đối với quá trình phát xạ kích thích, tất cả các photon phát xạ đều có tính chất (về năng lượng , tần số, pha, hướng) tương tự như nhau. Hiện nay, 2 linh kiện phát quang chính được sử


54

Đồ án tốt nghiệp dụng là LED và laser; trong đó, quá trình phát xạ của LED là phát xạ tự phát còn laser là phát xạ kích thích. 2.2.2.1.1.LED (Light Emitting Diode) Cấu trúc của LED là một tiếp xúc p-n đồng nhất trên một vật liệu. Quá trình phát xạ tự phát xảy ra khi chuyển tiếp p-n được phân cực thuận, điện tử và lỗ trống được tiêm vào vùng hoạt tính và tái hợp lại. Ngoài quá trình tái hợp phát xạ của cặp điện tử-lỗ trống trong vùng hoạt tính tạo thành photon (ánh sáng), cặp điện tử- lỗ trống có khả năng tái hợp không phát xạ. Quá trình tái hợp không phát xạ bao gồm sự tái hợp xảy ra tại các bẫy điện tích (do những khiếm khuyết trong quá trình làm mẫu) , tái hợp trên bề mặt vật liệu và tái hợp Auger. Trong quá trình tái hợp Auger, năng lượng sinh ra từ cặp điện tử-lỗ trống tạo thành động năng cho điện tử hoặc lỗ trống khác mà không tạo thành photon. Quá trình tái hợp Auger đặc biệt xảy ra mạnh tại vùng bước sóng từ 1,3μm tới 1,6μm do rào thế tại vùng hoạt tính khá nhỏ. Do LED phát xạ tự phát nên nó có phổ phát xạ khá rộng (30-60 nm) và góc phát xạ khá lớn. Với một dòng tiêm I cho trước, tại trạng thái cân bằng, tốc độ tái hợp (phát xạ và không phát xạ) của cặp điện tử lỗ trống là I/q. Hiệu suất lượng tử nội được quyết định bởi số lượng tái hợp phát xạ của cặp điện tử-lỗ trống tạo ra. Công suất quang nội được cho bởi công thức : [2.1] Trong đó :

là hiệu suất lượng tử nội,

là năng lượng của photon phát xạ, q là

điện tích của điện tử. Trong số photon phát xạ chỉ có một phần thoát ra từ linh kiện được ghép vào sợi quang. Bởi vậy, hiệu suất lượng tử ngoại

đặc trưng cho phần photon thoát ra

khỏi cấu trúc được ghép vào sợi quang. Công suất phát xạ thực là : [2.2] Do góc phát xạ của LED khá rộng nên thông thường công suất ghép vào sợi quang của LED khá thấp (khoảng 100μW) mặc dù công suất quang nội có thể lên tới 10mW.


55


Hình 2.5-Đặc tính của LED : a)Đường cong P-I của LED tại một dải nhiệt độ b) Phổ phát xạ của LED 1.3μm Một thông số thường được sử dụng để đánh giá đặc tính của LED là đáp ứng của LED RLED được xác định bởi tỉ số Pe/I. [2.3] Trong thông tin quang, phổ phát xạ của nguồn phát quang ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu suất của tuyến truyền dẫn thông qua tán xạ trong sợi quang. Do LED có bề rộng phổ lớn (∆λ≈ 50-60nm tính theo FWHM) nên tích số BL của LED bị giới hạn. Vì vậy, LED thường chỉ được sử dụng trong các đường truyền tốc độ thấp và khoảng cách gần (vài km). Hạn chế thứ hai của LED là tốc độ điều chế. Tốc độ điều chế của LED phụ thuộc vào độ linh động hạt tải và giới hạn bởi thời gian sống của hạt tải τc. Băng thông điều chế của LED được cho bởi công thức : [2.4] Thông thường, τc của InGaAs LED vào khoảng từ 2-5ns tương ứng với băng thông điều chế vào khoảng 50-140MHz. Chính vì vậy, LED chỉ có thể sử dụng cho những ứng dụng tốc độ thấp. 2.2.2.1.2.Laser Laser bán dẫn phát xạ ánh sáng thông qua quá trình phát xạ kích thích. Sự khác biệt giữa phát xạ kích thích với phát xạ tự phát không chỉ bởi công suất phát xạ cao Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

56

Đồ án tốt nghiệp (~ 100nW) mà còn bởi khả năng ghép hiệu suất cao vào sợi quang. Laser có góc phát xạ khá hẹp nên hiệu suất ghép vào sợi quang có thể cao hơn LED tới 50%; đồng thời, laser có bề rộng phổ rất hẹp cho phép hoạt động ở tốc độ khá cao (khoảng vài chục Gb/s). Hơn nữa, laser bán dẫn có thể điều chế trực tiếp tại tần số rất cao (~ 25GHz) bởi thời gian sống của hạt tải khá ngắn do quá trình phát xạ kích thích. Quá trình phát xạ kích thích chỉ xảy ra trong điều kiện hình thành trạng thái đảo về mật độ được thỏa mãn. Trong laser bán dẫn điều kiện này được xảy ra khi pha tạp rất mạnh tại lớp p, n trong cấu trúc làm cho mức Fermi của 2 lớp này chênh lệch cao hơn rào thế khi phân cực thuận cho chuyển tiếp p-n. Khi mật độ hạt tải tiêm vào vùng hoạt tính vượt quá giá trị ngưỡng (lasing threshold) thì trạng thái đảo mật độ được hình thành và vùng hoạt tính mang tính chất khuêch đại quang. Để có thể xảy ra hiệu ứng laser, thành phần hồi tiếp quang cần phải được thêm vào để biến đổi tính chất khuêch đại vùng hoạt tính thành một buồng cộng hưởng. Tùy theo cấu trúc của phần hồi tiếp quang mà laser được chia thành các loại khác nhau : Fabry-Perot laser, DFB laser, …Trong mạng FTTH, 2 nguồn laser được sử dụng chủ yếu là DFB (Distributed Feedback Bragg Laser) và F-P laser (Fabry-Perot laser). Điều kiện để xảy ra phát xạ laser trong cấu trúc buồng cộng hưởng :

[2.5] Trong đó g là hệ số khuêch đại của vùng hoạt tính, αint là hệ số suy hao do tán xạ, hấp thụ trong buồng cộng hưởng, αmir là hệ số suy hao do phản xạ và L là chiều dài buồng cộng hưởng, m là chỉ số mode. Trong cấu trúc của DFB laser, thành phần hồi tiếp không nằm trên bề mặt của laser mà phân phối trong cấu trúc của buồng cộng hưởng. Điều này được thực hiện thông qua một cấu trúc tuần hoàn biến thiên chiết suất. Sự hồi tiếp xảy ra qua hiện tượng tán xạ Bragg do giao thoa của 2 sóng tới và sóng phản xạ. Hiện tượng lựa chọn mode xảy ra trong DFB laser là kết quả của hiệu ứng Bragg. Bước sóng Bragg trong cấu trúc thỏa mãn công thức : [2.6] Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

57

Đồ án tốt nghiệp Trong đó : Λ là chu kỳ biến thiên chiết suất, n là chỉ số chiết suất trung bình và m là bậc của tán xạ Bragg. Sự giao thoa xảy ra giữa sóng tới và sóng phản xạ xảy ra mạnh nhất tại tán xạ Bragg bậc 1. Các laser DFB thường hoạt động tại bước sóng λ B = 1.5μm. Do tính chất chọn lọc mode, DFB laser có khả năng phát ra tín hiệu quang đơn mode. DFB laser có hiệu suất cao với dải nhiệt độ rất rộng nên thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc mạng PON đặc biệt là phía OLT. DFB laser (không có bộ phận làm mát) thường có dòng ngưỡng thấp, dải nhiệt độ hoạt động rất rộng, tỷ số nén mode cạnh cao (thông thường là 40 dB) và đáp ứng nhanh ( 0.12 ns thời gian lên và xuống lấy trong khoảng biên độ từ 20-80%).

Hình 2.6-Cấu trúc của DFB laser Khác với DFB laser, F-P laser sử dụng 2 gương phản xạ nằm tại 2 cạnh của buồng cộng hưởng nhằm mục đích phản xạ ánh sáng tạo thành vòng hồi tiếp. Hệ số phản xạ của 2 gương nằm trong cấu trúc được tính theo công thức : [2.7]

Hình 2.7-Hình ảnh của F-P laser F-P laser thường được sử dụng nhằm mục đích hạ giá thành của các module quang đặc biệt được sử dụng bên phía ONU. Với hệ thống PON, công suất tín hiệu quang phát đi từ phía ONU cũng yêu cầu phải đạt được công suất cao (nói cách Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

58

Đồ án tốt nghiệp khác là phía OLT chỉ cần sử dụng bộ thu dùng diode PIN với giá thành và độ nhạy thấp ) thì việc sử dụng laser F-P cho phép phát tín hiệu có công suất cao hơn so với việc sử dụng laser DFB. Nhằm nâng cao công suất phát quang của laser phát cạnh, thiết kế sử dụng F-P laser cần được tối ưu mà không cần sử dụng các bộ cách ly và thường đạt được hiệu suất 0.45W/A với công suất phát quang 20mW dưới nhiệt độ 250C. Điện dung kí sinh trên thiết bị cần được tối ưu nhằm mục đích nâng cao tốc độ điều chế tới khoảng 1,25Gbps. Hình 2.8 thể hiện đặc tuyến P-I của các laser DFB và F-P điển hình.

Hình 2.8–Đặc tuyến P-I của laser DFB (a) và F-P (b) Ngoài 2 loại laser truyền thống trên, laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) là laser được sử dụng rộng rãi hiện nay với khả năng phát tín hiệu quang có bề rộng phổ khá hẹp. Do chiều dài buồng cộng hưởng của laser VCSEL khá ngắn (khoảng 2÷ 5 μm) nên laser VCSEL có khả năng tích hợp khá hoàn hảo với sợi quang đơn mode. Hình 2.9 dưới đây là hình ảnh laser VCSEL có rất nhiều những lớp bán dẫn mỏng được nuôi trên cùng một đế. Vùng hoạt tính của laser VCSEL bao gồm vài giêng lượng tử nằm kẹp giữa 2 gương cách tử phản xạ có hệ số phản xạ cao (> 99,5%) được tạo thành từ 10 ÷ 50 lớp bán dẫn với chỉ số chiết suất khác nhau. Ánh sáng phát xạ từ laser VCSEL có hướng phù hợp với mặt phẳng hoạt tính và có tia phát xạ hình tròn dễ dàng ghép với sợi quang đơn mode. VCSEL có giá thành khá thấp so với các laser phát cạnh như DFB và DBR laser (Distributed Bragg Reflector laser) do nó có giá thành sản xuất, đóng gói, hiệu chỉnh và thử nghiệm khá thấp. VCSEL cũng được sản xuất thành các ma trận 1D


59

Đồ án tốt nghiệp hoặc 2D để tối ưu hóa khả năng đóng gói và dải thông. Bởi vì thể tích buồng cộng hưởng khá nhỏ, VCSEL có dòng ngưỡng khá thấp (dưới mA) ở nhiệt độ phòng. Tiêu thụ công suất của laser này cũng khá thấp. Những laser VCSEL có bước sóng dài (1310nm hoặc1550 nm) được sử dụng để phát xạ trực tiếp tín hiệu trong mạng 10Gb/s trong các mạng thông tin quang.

Hình 2.9-Hình ảnh cấu trúc của laser VCSEL Trong mạng FTTH, laser VCSEL cũng thường được sử dụng làm thiết bị phát cho ONU. Dưới đây là đặc tuyến hoạt động của 1 laser VCSEL

Hình 2.10-Đặc tuyến hoạt động của laser VCSEL 2.2.2.2.Thiết bị thu quang Trong hầu hết các thiết bị thu quang, có 2 loại photodiode thường được sử dụng nhất là photodiode cấu trúc p-i-n và APD. Photodiode p-i-n thường được sử dụng nhất bởi độ tin cậy và hoạt động ổn định của nó. Photodiode APD có cấu trúc khuếch đại dòng quang làm tăng độ nhạy của thiết bị thu. Photodiode p-i-n thông thường có cấu trúc gồm 1 vùng p, 1 vùng n và xen giữa là một vùng bán dẫn i không pha tạp. Trong chế độ hoạt động bình thường, thiên áp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

60

Đồ án tốt nghiệp ngược đủ lớn đặt vào thiết bị để đảm bảo hoàn toàn có thể trôi được hạt tải. Hình 2.11 là hình ảnh của photodiode p-i-n được đặt dưới trường ngược. Trong 3 vùng p,i, n thì vùng i không pha tạp nên có điện trở cao nhất dẫn đến hầu hết thiên áp ngược được đặt trên nó. Do vậy, trong lớp i tồn tại một trường điện ngược khá lớn. Khi một photon mang năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn thì nó sẽ kích thích một điện tử ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn tạo thành một cặp điện tử-lỗ trống. Quá trình này xảy ra trong lớp i của bán dẫn; do trường ngược đặt vào lớp i nên cặp điện tử-lỗ trống sẽ đi về 2 phía của 2 bản cực tạo thành dòng quang.

Hình 2.11- Hình ảnh photodiode p-i-n Bước sóng cắt của photodiode được định nghĩa bởi công thức : λc =

1, 24 Eg

[2.8]

Trong đó, Eg là năng lượng vùng cấm của vật liệu, h là hằng số Planck. Với bước sóng dài hơn bước sóng λc thì năng lượng photon không đủ kích thích tạo thành cặp điện tử-lỗ trống. Ngoài thông số bước sóng cắt, một thông số khác rất quan trọng của photodiode là đáp ứng R của nó. Đáp ửng R đặc trưng cho khả năng chuyển đổi công suất quang thành dòng điện của photodiode. R=

ηe hυ

[2.9]

Trong đó η là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện tích electron, υ là tần số của ánh sáng tới.


61

Đồ án tốt nghiệp Photodiode avalanche thêm 1 vật liệu loại p làm lớp epitaxy nền p +, 1 lớp n+ được cấy khuếch tán so với cấu trúc p-i-n tạo thành cấu trúc p+ipn+ (hình 2.12). Khi đặt điện áp phân cực ngược lên APD, hầu hết điện thế rơi trên vùng tiếp giáp pn + tạo thành vùng điện tích không gian giữa 2 lớp này với điện trường rất lớn (gần tới vùng đánh thủng lớp i) đặt tại vùng này. Khi cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra, điện trường này tăng tốc cho điện tử, lỗ trống tới mức năng lượng đủ để ion hóa các điện tử xung quanh do va chạm với chúng. Như vậy, cặp điện tử-lỗ trống sinh ra sẽ tạo ra thêm các cặp điện tử-lỗ trống khác tạo thành hiệu ứng thác khuếch đại dòng quang của photodiode.

Hình 2.12- Hình ảnh photodiode APD và phân bố điện trường trên nó Trong photodiode APD, hệ số khuếch đại dòng quang được định nghĩa bởi hệ số nhân M theo công thức : M=

IM Ip

[2.10]

Trong đó IM là dòng trung bình tại đầu ra, Ip là giá trị dòng quang khi chưa được khuếch đại được tính toán. Photodiode avalanche APD với độ nhạy cao thường được sử dụng ở đầu thu tín hiệu quang phía OLT bởi thiết bị ONU thường có công suất phát quang rất thấp nhằm mục đích giảm giá thành. Khi APD được định thiên ở điện áp gần điện áp đánh thủng, dòng quang được khuếch đại nên APD có độ nhạy quang rất cao so với diode PIN. Thông thường, đầu thu InGaAs thường được sử dụng nhờ có độ nhạy cao trong dải bước sóng từ 1µm tới 1,6µm trong vùng hấp thụ và cấu trúc InGaAs-


62

Đồ án tốt nghiệp InP được sử dụng với InP dùng cho vùng avalanche. Các diode APD điển hình dùng cho các ứng dụng GPON thường có đường kính vùng tích cực khoảng 35µm, đáp ứng 0,9A/W ở bước sóng 1310 nm với dải thông khoảng 2.5GHz. Hình 2.13 thể hiện đặc tuyến V-I của diode APD này. Điện áp đánh thủng vào khoảng 60V với hệ số nhân là 10 hoặc cao hơn ở công suất tín hiệu quang tới là 0,3µW.

Hình 2.13-Đặc tuyến V-I của APD và hệ số nhân Hiện nay, các thiết bị thu và phát quang được tích hợp bằng 2 công nghệ đóng vỏ là TO-CAN hoặc đóng gói dựa trên cáp đồng trục. Kỹ thuật đóng gói TO đang có sự phát triển tích cực hiện nay cho các bộ thu và phát quang bởi nó có giá thành thấp, chiếm diện tích nhỏ và dễ dàng sử dụng. Các module laser TO được sử dụng rộng rãi trong các bộ thu, phát và phát-đáp tốc độ cao trong các module SFF (Small Form Factor). Hình 2.14a thể hiện một DFB laser được đóng gói theo công nghệ TO-CAN. Thấu kính dạng giả cầu được sử dụng giúp nâng cao hệ số ghép quang lên khoảng 65%. Photodiode PD điều khiển được bốc bay lên bề mặt sau của laser DFB nhằm mục đích xác định công suất phát của laser để điều khiển laser giúp cho laser có công suất phát ổn định khi nhiệt độ thay đổi. Một bộ cách ly quang được sử dụng nhằm mục đích giảm nhiễu do hồi tiếp quang gây ra. Kích thước và giá thành của bộ cách ly quang được giảm bằng cách bốc bay nó tại phía sau đầu vào tín hiệu trên


63

Đồ án tốt nghiệp cáp quang mà tại đó đường kính của tia sáng phát ra từ DFB laser được giảm tới mức tối thiểu. Hình 2.14b thể hiện cấu trúc TO-CAN của một diode APD với bộ tiền khuếch đại được tích hợp trên cùng một IC. Bởi vì APD có đường kính vùng tích cực lớn nên nó có hệ số ghép khá cao (có thể đạt tới 100%) và dễ dàng điều chỉnh hơn rất nhiều so với laser diode.

Hình 2.14-DFB và APD đóng gói theo cấu trúc TO-CAN 2.2.2.3.Bộ ghép WDM Một thiết bị quang rất quan trọng được sử dụng trong mạng PON là bộ ghép WDM được thể hiện như trong sơ đồ khối. Vai trò chính của nó là tách dòng tín hiệu lên và xuống trong hệ thống PON. Thông thường, các bộ lọc WDM được lắng đọng lên trên một đế như phiến thủy tinh sau đó được cắt thành các chip hình vuông với tiết diện khoảng vài mm và được bốc bay lên OSA (Optical Sub-Assembly). Trong công nghệ mới này, bộ lọc WDM được lắng đọng lên trên bề mặt của sợi Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

64

Đồ án tốt nghiệp quang đã được đánh bóng với góc nghiêng khoảng 300 nhằm mục đích giảm kích thước của WDM. Theo cách này, WDM vốn chiếm vai trò chính trong giá thành của OSA được tích hợp một cách đơn giản qua quá trình xử lý sợi quang trong việc đóng gói. Việc ghép sợi quang với LD đã được thực hiện trong các rãnh hình omega trên plastic. Hình 2.15 thể hiện đặc tính phổ của đường truyền và hình ảnh bộ lọc WDM được tạo ra trên bề mặt sợi quang. Nó cho phép hệ số cách ly lên tới 20 dB giữa 2 vùng phổ tín hiệu tuyến lên và xuống với bước sóng lớn nhất tại tuyến lên là 1360nm và bước sóng nhỏ nhất tại tuyến xuống là 1480nm. Hơn nữa, nhằm mục đích giảm nhiễu xuyên kênh từ bộ phát với bước sóng 1310nm và đạt được hệ số cách ly cao giữa tín hiệu số và tín hiệu video tuyến xuống ở bước sóng 1550nm ( yêu cầu thông thường là 40 dB hoặc cao hơn) thì bộ lọc thông dải với dải thông từ bước sóng 1480nm tới 1550nm cần được đặt trước PD cùng bộ lọc ở phía cuối cáp quang.

Hình 2.15-Đặc điểm phổ của đường truyền và hình ảnh bộ lọc WDM 2.2.2.4.Bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA Kiến trúc bộ thu quang được phân loại dựa vào thiết kế tầng tiền khuếch đại thành 3 loại : trở kháng thấp, trở kháng cao và truyền trở kháng. Hình 2.16 dưới đây là hình ảnh của 3 kiến trúc thu trên.


65


Hình 2.16–Kiến trúc tầng tiền khuếch đại Như đã nói ở trên, thông thường các bộ thu tín hiệu quang là các photo-diode PIN hoặc APD đều có cấu trúc là tiếp giáp p-i-n. Để nhằm mục đích nâng cao tốc độ đáp ứng và giảm tạp âm nhiễu, các photo-diode này thường được phân cực ngược. Vì vậy, nhìn ở phía đầu vào, bộ thu được xem như một bộ lọc R-C có dải thông là :

[2.11] Đối với mạch tiền khuếch đại hình 2.16a là mạch tiền khuếch đại trở kháng thấp. Mạch này có điện trở R nối tiếp với photo-diode nhỏ nên có dải thông rộng nhưng có độ nhạy thu thấp do điện áp đặt trên điện trở R thấp làm giảm độ nhạy thu. Tương tự với mạch tiền khuếch đại trở kháng cao như hình 2.16c, mạch này có độ nhạy thu khá cao nhưng lại có dải thông bị hạn chế bởi điện trở R nối tiếp lớn. Trong 3 kiến trúc trên, kiến trúc bộ tiền khuếch đại truyền trở kháng hình 2.16b được sử dụng nhiều nhất bởi nó cải thiện được cả 2 vấn đề trên. Nhìn từ phía đầu vào, mạch TIA có điện trở Rin là điện trở vào của tầng khuếch đại nên có giá trị rất lớn. Vì vậy, nó có độ nhạy thu khá cao đồng thời việc sử dụng vòng hồi tiếp âm trên tầng khuếch đại làm nâng cao dải thông của mạch. Do đó, trong hầu hết các kiến trúc transceiver của FTTH, khối thu ROSA đều sử dụng kiến trúc tiền khuếch đại truyền trở kháng và được tích hợp on-chip dựa vào công nghệ thiết kế mạch tổ hợp như bipolar, CMOS,…


66

Đồ án tốt nghiệp 2.2.3. Các module thu và phát quang Hiện nay, thiết kế các bộ thu phát tín hiệu quang vẫn là lĩnh vực được quan tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu do nhu cầu rất lớn của thị trường. Do đặc điểm của mạng FTTH là mạng điểm-đa điểm nên các bộ thu phát quang chế độ burst mode trong mạng PON phải có những đặc điểm riêng biệt để phù hợp với yêu cầu mong muốn. Mặc dù được sử dụng rất rộng rãi nhưng hiện này vẫn chưa có một văn bản liên quan tới thiết bị này xác định rõ những ứng dụng của chúng. Thông thường, các nhà cung cấp module quang liên kết với các hãng cung cấp hệ thống PON để xác định yêu cầu thiết kế cơ bản trong từng trường hợp cụ thể. Nhằm mục đích tương thích với các mạng EPON và GPON cùng với khả năng sử dụng lại, các module thu-phát được chia thành các khối : khối xử lý tín hiệu 2 chiều BOSA, khối xử lý tín hiệu điện ESA (Electrical Sub-Assembly) và khối điều khiển nhiệt độ. Trong đó, khối BOSA bảo đảm công suất phát tín hiệu và độ nhạy thu; khối ESA chịu trách nhiệm về hiệu suất của PMD dưới chế độ burst-mode, bảo đảm việc điều khiển tín hiệu và dải động của công suất thu chấp nhận được, độ nhạy thu cao. Hiệu ứng nhiễu xuyên kênh giữa bộ thu và phát cần được bảo đảm chặt chẽ. Hình 2.17 dưới đây là một ví dụ cơ bản gồm sơ đồ khối và hình ảnh của module thu-phát dạng diplexer được sử dụng trong mạng PON thiết kế cho ONU. Module này được cắm trên một đầu nối dạng 2x5 hoặc 2x7 chân nhằm mục đích kết nối với mạch chủ và được cấp nguồn 3.3 V± 5%. Module bao gồm một đầu nối dạng LC hoặc SC (tùy từng trường hợp), mạch in , OSA và mạch điều khiển. OSA là một thiết bị quang được tổ hợp gồm một bộ lọc quang thông dải, đầu thu quang PD, IC khuếch đại biến đổi trở kháng TIA ở phía thu hoặc một laser F-P cùng một đầu thu PD điều khiển công suất ở phía phát. Bộ ghép WDM sẽ ghép tín hiệu quang đầu thu và phát lên trên cùng một sợi quang. Ngoài ra, OSA có thể sử dụng IC gồm bộ tiến khuếch đại biến đổi trở kháng và bộ khuếch đại giới hạn để giảm giá thành sản phẩm và công suất tiêu thụ khoảng 0,8W. Hình 2.18 là hình ảnh và sơ đồ khối của một module thu-phát dạng triplexer dùng cho ONU. Tùy theo yêu cầu lắp đặt mà kích thước của module này được hạn chế trong kích thước từ 8,5mm hoặc thấp hơn. Đầu nối LC hoặc SC được sử dụng phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

67


Hình 2.17-Module thu-phát 2 chiều dạng diplexer


68


Hình 2.18–Module thu phát 2 chiều dạng triplexer 2.2.4. Bộ thu-phát chế độ burst-mode Hệ thống PON yêu cầu sử dụng chế độ truyền nhận đặc biệt là chế độ burst-mode như là một cải tiến lớn về mặt kỹ thuật cho việc truyền dữ liệu tuyến lên (từ phía người sử dụng tới trung tâm). Điều đó là rất cần thiết cho mạng PON bởi trong mạng PON có rất nhiều người sử dụng chia sẻ một đường truyền cáp quang thông qua kỹ thuật đa truy nhập TDMA nên tín hiệu nhận được của các gói dữ liệu trong các khe thời gian từ nhiều người dùng khác nhau có sự biến thiên rất mạnh về biên độ và pha. Nguyên nhân chủ yếu là khoảng cách từ mỗi ONU tới OLT là khác nhau nên tín hiệu thu được tại OLT của các ONU khác nhau có thể có sự chênh lệch tới 20 dB về biên độ( cần phải chú ý rằng, điều này không xảy ra với tín hiệu phát từ


69

Đồ án tốt nghiệp OLT tới ONU bởi tuyến truyền dẫn này là đường truyền điểm-điểm). Bởi vậy, nếu sử dụng đầu thu và phát tín hiệu quang thông thường sẽ không thể thu được một cách chính xác dữ liệu trong các gói được truyền đi do sự khác biệt về biên độ tín hiệu này. Để khắc phục vấn đề này, mạng PON sử dụng bộ thu-phát chạy chế độ burst-mode với đầu thu burst-mode ở phía OLT (có khả năng thay đổi ngưỡng xác định mức logic theo tín hiệu đầu vào cùng việc tự động xác định pha dựa vào những bit đầu tiên của gói tín hiệu burst nhận được) và đầu phát burst-mode ở phía ONU. Các bộ thu-phát chế độ burst-mode này được tích hợp trên một IC sử dụng công nghệ CMOS có giá thành và công suất tiêu thụ thấp. 2.2.4.1. So sánh giữa chế độ thông thường và chế độ burst-mode Hình 2.19 minh họa 3 dạng tín hiệu được sử dụng trong thông tin số. Hình 2.19a là tín hiệu truyền liên tục thông thường. Chuỗi bit dữ liệu nhị phân được truyền đi một cách liên tục với tỉ số phân biệt giữa bit 0 và 1 cùng tần số xung nhịp nằm trong giới hạn cho phép. Ví dụ dưới đây là mã đường truyền 8B10B và 64B66B thường được sử dụng trong các ứng dụng truyền dữ liệu điểm-điểm như hệ thống gigabit và 10-gigabit Ethernet. Hình 2.19b là tín hiệu burst-mode được truyền đi mà trong đó tỉ số phân biệt và tốc độ truyền dữ liệu không bị giới hạn chặt chẽ. Chuỗi bit này có biên độ giống nhau cho cùng một ký tự giống nhau được truyền đi. Hình 2.19c thể hiện biên độ của tín hiệu có thể thay đổi giữa các gói tín hiệu burst khác nhau và khoảng thời gian bảo vệ cũng thay đổi theo các gói này. Hai hình b và c là hai dạng tín hiệu thường gặp trong mạng đa truy nhập chế độ burst-mode như PON. Nhiệm vụ của bộ thu chế độ burst-mode là khôi phục lại mẫu tín hiệu b và c một cách chính xác và nhanh nhất. Các bộ phát và thu thông thường chỉ phù hợp cho những ứng dụng truyền dữ liệu chế độ liên tục thường sử dụng các mạch ghép AC. Mạch ghép AC có thể cung cấp độ nhạy cao và dễ sử dụng. Tuy nhiên, do thời gian tích tụ và xả đi điện tích của tụ điện nối với đường tín hiệu trong mạch ghép AC nên tốc độ trung bình của luồng dữ liệu nhận được thông thường bị giới hạn trong khoảng từ microsecond (µs) tới milisecond (ms) và không thể phân biệt được sự thay đổi của biên độ tín hiệu với tốc độ cao hơn.


70


Hình 2.19–Dạng dữ liệu truyền đi trong thông tin số Hoạt động của bộ thu chế độ burst-mode có sự khác biệt so với các bộ thu thông thường khác. Sự khác biệt cơ bản ở đây là bộ thu chế độ burst-mode được ghép DC và ngưỡng xác định tín hiệu thay đổi tương thích với sự thay đổi của tín hiệu nhận được trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự thay đổi thứ hai trong bộ thu burst-mode là mạch khôi phục dữ liệu và xung clock phải hoạt động ở tốc độ cao (trong khoảng thời gian cỡ nanosecond) và thay đổi nhanh chóng chỉ trong khoảng thời gian của một phần nhỏ gói dữ liệu được truyền đi. 2.2.4.2. Bộ phát quang chế độ burst-mode Bộ phát tín hiệu chế độ burst-mode BM-Tx bao gồm 2 khối chính : laser diode nằm trong khối TOSA hoặc BOSA như hình vẽ 2.3 ở trên và IC điều khiển laser diode (LDD) cung cấp điện áp DC yêu cầu và dòng điều chế cho laser diode. IC điều khiển laser diode này phải có công suất tiêu thụ rất thấp nên nó có thể được cung cấp nguồn pin dự phòng trong trường hợp thiếu năng lượng cung cấp. Ngoài ra, IC này phải có giá thành thấp và chạy ổn định trong khoảng nhiệt độ rộng do bộ thu có thể được đặt ngoài trời. Đặc điểm truyền dữ liệu tuyến lên theo chế độ burst-mode trong mạng PON đã đặt ra nhiều yêu cầu mới cho mạch điều khiển laser diode. Trong sơ đồ ghép kênh TDMA, BM-LDD phải phát ra dòng phân cực và dòng điều khiển biến thiển tối thiểu trong khoảng từ 1mA tới 160mA với thời gian lên và xuống của tín hiệu dưới nano-giây. Dòng phân cực trong thời gian mở cửa cung cấp cho BM-LDD ngăn chặn việc laser diode phát xạ ảnh hưởng tới công suất phát của các nguồn tín hiệu Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

71

Đồ án tốt nghiệp bên cạnh suốt khoảng thời gian nó không truyền đi tín hiệu. Nếu một vài nguồn tín hiệu được phát ra từ những ONU không truyền dữ liệu sẽ tác động tới tín hiệu đầu thu của OLT và dẫn đến việc thay đổi đáng kể dải động của tín hiệu. Vì vậy, công suất laser phát xạ trong khoảng thời gian nó không truyền đi dữ liệu phải nhỏ hơn từ 25-30 dB so với công suất laser phát xạ lúc nó truyền dữ liệu. Để có thể giảm thời gian chuyển mạch giữa 2 trạng thái bật và tắt của laser diode, dòng điều chế của laser không hoàn toàn bị tắt khi nó ở trạng thái “off” nhằm giảm thời gian trễ khi chuyển sang trạng thái “on” và nhiễu trong chu kỳ tín hiệu được phát đi. Giải pháp phổ biến hiện nay là giữ cho dòng phân cực laser diode ở rất gần với dòng ngưỡng của nó và theo cách này, tỉ số phân biệt mức công suất giữa 2 trạng thái “on” và “off”, thời gian trễ trong quá trình chuyển đổi giữa 2 trạng thái được bảo đảm. Lựa chọn công suất phát của laser cũng là một vấn đề quan trọng bởi nếu công suất phát cao sẽ làm giảm tỉ số phân biệt mức công suất mong muốn, ngược lại nếu công suất phát thấp có thể đẩy laser vào chế độ phát xạ tự phát gây ra nhiễu trong việc điều chế thông tin. BM-LDD yêu cầu phải điều khiển dòng cung cấp cho laser diode một cách ổn định nhằm đảm bảo công suất phát quang trung bình không đổi đồng thời có tỉ số phân biệt mức công suất ổn định trong một dải nhiệt độ rộng (từ -40 0C tới 800C). Hình 2.20 thể hiện đặc tính nhiệt độ của F-P laser bằng đường đặc tuyến P-I. Như hình 2.20, công suất phát quang của laser phụ thuộc vào dòng điều khiển, ngưỡng và hệ số nhiệt độ của laser; những tham số này phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc và nhiệt độ hoạt động của laser. Để bù lại sự thay đổi công suất phát của laser và tỉ số phân biệt mức công suất vào nhiệt độ, một mạch điều khiển công suất tốc độ cao APC (Auto Power Control) cần phải được sử dụng. Mạch APC này dựa vào điện áp tham chiếu thu được từ photodiode điều khiển của LD (thường đặt ở mặt sau của laser) rồi thực hiện việc ổn định công suất cho laser khi phát tín hiệu mức cao và thấp. Khi laser không phát ra các gói burst truyền đi trên đường truyền, một mạch kiểm soát mức tín hiệu đỉnh sẽ điều khiển công suất phát của laser và một vòng hồi tiếp sẽ giữ cho dòng phân cực ở trạng thái này ở gần dưới ngưỡng. Khi laser ở trạng thái hoạt động để truyền đi các gói dữ liệu burst, mạch kiểm soát mức tín hiệu trên sẽ chuyển sang điều khiển công suất phát xạ trung bình của laser thông qua


72

Đồ án tốt nghiệp photodiode PD và vòng hồi tiếp sẽ giữ cho dòng phân cực và điều chế của laser diode ổn định ở mức tín hiệu mong muốn. Nhờ vậy, công suất phát quang của laser sẽ giữ ổn định một cách tin cậy ở mức cho phép.

Hình 2.20–Đặc tuyến nhiệt độ của laser F-P Hình 2.21 thể hiện sơ đồ khối của một IC laser driver điển hình. Tín hiệu đầu vào được sử dụng dưới dạng PECL (Positive Emitter-Coupler Logic) điện áp thấp hoặc dạng tín hiệu dùng cho CMOS điện áp thấp (LVCMOS – Low-Voltage CMOS). Trong thiết kế này, dòng dữ liệu đưa vào được bù nhiễu trong khối TODC trước khi điều khiển laser diode ở tầng điều khiển laser LDS (Laser Driver Stage). Vì vậy, nó có khả năng bù nhiễu do thời gian trễ khi chuyển sang trạng thái “on” của laser diode và sau đó hoạt động không cần tới dòng phân cực. Tín hiệu từ photodiode điều khiển được hồi tiếp về mạch so sánh đỉnh PC (Peak Comparator) để so sánh giá trị điện áp hồi tiếp từ photodiode với giá trị điện áp tham chiếu. Khối xử lý số DIG điều khiển dòng ở trạng thái “on” của tầng LDS và cung cấp tín hiệu báo hiệu EOL (End of Alarm). Giao tiếp giữa mạch BM-LDD và mạch điều khiển laser diode được ghép DC nhằm giảm thời gian đáp ứng của mạch so với mạch ghép AC thông thường. Hình 2.22 so sánh hoạt động của tầng LDS trong 2 trường hợp : hoạt động ở chế độ liên tục và chế độ burst-mode . Mạch LDS hoạt động dưới chế độ liên tục được thiết kế như hình 2.22a nhằm mục đích giữ cho dòng phân cực cho laser ổn định; từ đó, công suất phát quang cũng giữ giá trị ổn định trong vùng hoạt động. Điều đó cho thấy mạch LDS này không cần thiết phải thay đổi dòng phân cực một cách


73

Đồ án tốt nghiệp nhanh chóng nên hầu hết các mạch điều khiển laser chế độ liên tục không có khả năng điều khiển ở chế độ burst-mode . Tuy nhiên, LDS cũng có khả năng sử dụng cho việc điều chế tín hiệu quang của laser diode dưới tốc độ dữ liệu mong muốn có khả năng hoạt động nhanh với tốc độ điển hình lên tới Gbps. Các mạch tương tự có thể được sử dụng để điều chế dòng phân cực với tốc độ tương tự. Như thấy được ở hình 2.22, mạch điều khiển laser được thiết kế với thời gian Ton và Toff rất ngắn (trong khoảng vài ns). Từ điểm này có thể thấy mạch điều khiển laser chế độ burstmode không cần thiết phải xây dựng mạch phức tạp hơn so với mạch điều khiển laser chế độ liên tục.

Hình 2.21–Sơ đồ khối của IC điều khiển laser diode điển hình


74

Đồ án tốt nghiệp Hình 2.22–So sánh giữa mạch LDS trong 2 chế độ liên tục và burst-mode Hình 2.23 là 2 sơ đồ chuẩn dùng cho mạch chức năng điều khiển APC trong mạch điều khiển laser diode chế độ burst-mode . Đặc điểm chính của mạch APC là dựa vào vòng hồi tiếp từ photodiode điều khiển. Trong trường hợp đầu tiên (sơ đồ trên), bộ biến đổi I/V dải rộng và mạch xác định đỉnh được sử dụng; chúng thường tiêu thụ công suất khá cao. Do đó, mạch tương tự xác định đỉnh chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian giới hạn nên thường dẫn đến việc xác định sai mức công suất tín hiệu tại thời điểm đầu của dòng tín hiệu burst.

Hình 2.23-Hai sơ đồ mạch APC điển hình Trong hình 2.23, sơ đồ phía dưới là một giải pháp khác cho mạch APC với khả năng tiêu thụ công suất ít hơn và giảm sai sót gây ra bởi thời gian hoạt động giới hạn của mạch xác định đỉnh. Mạch APC này có thể hoạt động theo từng gói tín hiệu burst hoặc theo từng bit dữ liệu và không cần thiết phải sử dụng những mạch có tốc độ xử lý cao, tiêu thụ công suất lớn. Trong suốt chuỗi dữ liệu burst đầu tiên, điện dung của photodiode Cpd được tích tụ tới giá trị xác định. Sau đó, trong suốt quá trình truyền dữ liệu burst tụ điện này được tích tụ từ dòng điện của photodiode hoặc xả bởi xung dòng phát ra từ chuỗi dữ liệu burst và nguồn dòng tham chiếu. Tại thời điểm cuối của dòng dữ liệu burst, điện áp trên tụ điện sẽ được sẽ được so sánh với điện áp tích tụ ban đầu bởi khối so sánh để phát ra xung clock. Tùy thuộc vào tín


75

Đồ án tốt nghiệp hiệu đầu ra, một bộ đếm sẽ điều khiển công suất ra của laser lên cao hoặc xuống thấp theo từng bước xác định. Do mức công suất của tín hiệu được lựa chọn bởi bộ đếm lên hoặc xuống nên thời gian giữ của mạch này là vô hạn; nhờ đó đã khắc phục nhược điểm thời gian giữ hữu hạn của mạch xác định đỉnh trước. So sánh với phương pháp điều khiển công suất theo từng bit, phương pháp điều khiển công suất theo từng burst có đáp ứng chậm hơn. Mặc dù thời gian đáp ứng của phương pháp này chậm hơn nhưng nó chỉ chiếm khoảng thời gian vài ms nên đáp ứng này vẫn rất nhanh khi so sánh với sự thay đổi của nhiệt độ và thời gian sống của laser. Ngay sau khi hệ thống được bật lên, một vài gói dữ liệu sẽ được truyền đi với mức công suất rất thấp bởi bộ đếm vẫn chưa tự điều chỉnh được tới giá trị mong muốn. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra trong lần đầu tiên ONU được bật lên và có thể khắc phục bằng cách phát đi một chuỗi ngắn các gói burst thăm dò nhằm mục đích điều chỉnh giá trị của bộ đếm trong suốt thời gian ONU được bật lên từ pin dự phòng và giá trị của bộ đếm vẫn còn tham gia vào hệ thống. Hình ảnh của tín hiệu quang và định thời của BM-Tx cho mang EPON được thể hiện như hình 2.24 trong đó là các mẫu mắt, gói dữ liệu burst, mẫu tín hiệu laser ở chế độ burst “on” và “off”. Mẫu mắt được đo bằng cách truyền chuỗi dữ liệu bất kỳ 27 – 1 bit và công suất phát của laser khi không truyền dữ liệu < -47 dBm. Thời gian laser burst-off dưới 2ns còn thời gian laser burst-on dưới 8ns.


76

Đồ án tốt nghiệp Hình 2.24–Tín hiệu định thời và mẫu mắt của BM-Tx mạng EPON Hình 2.25 là một ví dụ mẫu mắt đo được trong dải nhiệt độ rộng từ -400C tới 800C. Do tác dụng của mạch APC, laser có công suất phát ổn định trong khoảng 25% cạnh mắt và tỉ số phân biệt mức công suất ổn định trên 10dB. Do tốc độ đáp ứng nhanh của các IC điều khiển laser chế độ burst-mode có tốc độ từ 155Mbps đến 1,25Gbps nên các IC này được sử dụng phổ biến trong các mạng EPON, GPON và BPON. Các mạch điều khiển laser có thể điều khiển một cách độc lập dòng phân cực và điều chế thông qua vòng lặp APC nhằm mục đích bù sự biến thiên công suất phát của laser do sự thay đổi của nhiệt độ và điện áp đặt vào. Các IC điều khiển laser F-P và DFB thường có dòng điều chế khoảng 100mA và dòng phân cực khoảng 80mA. Để giảm giá thành của các module ONU, các bộ khuếch đại giới hạn chế độ liên tục thường được tích hợp với mạch điều khiển laser chế độ burst-mode trên 1 chip.

Hình 2.25–Mẫu mắt đo được ở các nhiệt độ khác nhau 2.2.4.2. Bộ thu quang chế độ burst-mode Đặc điểm chính của bộ thu chế độ burst-mode là có độ nhạy cao, dải động rộng và đáp ứng nhanh. Độ nhạy của đầu thu liên quan chặt chẽ tới dự trữ công suất trong mạng PON. Nếu độ nhạy được cải thiện 3 dB thì đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi tỉ số chia trong mạng PON tức là sẽ có gấp đôi số người dùng được chia sẻ trong cùng một mạng. Dải động là tham số cần phải quan tâm vì nó ảnh hưởng tới độ dài mạng được lắp đặt cho phép sử dụng chung giữa người dùng ở gần hoặc xa bộ chia quang trong mạng.


77

Đồ án tốt nghiệp Yêu cầu đặt ra cho bộ thu tín hiệu burst-mode là khả năng nhanh chóng khôi phục lại mức logic của các chuỗi burst riêng biệt. Nguyên tắc cơ bản là sử dụng các mạch ghép DC để nhanh chóng đo được mức tín hiệu tới từ dòng dữ liệu đến rồi nhanh chóng điều chỉnh mức ngưỡng phù hợp. Bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode được chia thành 2 cấu trúc chính : cấu trúc hồi tiếp phía sau và hồi tiếp phía trước như hình 2.26. Trong cấu trúc hồi tiếp phía trước, mạch tiền khuếch đại ghép DC thường được sử dụng. Tín hiệu nhận được sẽ được khuếch đại rồi chia thành 2 nhánh. Nhánh đầu tiên từ đầu ra của bộ khuếch đại sẽ đi tới bộ khuếch đại vi sai được ghép trực tiếp. Nhánh thứ hai được hồi tiếp về phía trước tới mạch xác định đỉnh để lấy lại thông tin từ biên độ tín hiệu tới của các gói nhận được. Từ đầu ra của bộ xác định đỉnh, mức ngưỡng thích hợp được lựa chọn thích nghi ở phía trước bộ khuếch đại vi sai. Tại đầu ra của bộ khuếch đại vi sai, biên độ tín hiệu thu được từ các gói dữ liệu được khôi phục và xử lý tiếp tục. Trong cấu trúc hồi tiếp phía sau, biên độ tín hiệu sẽ được khôi phục tại tầng tiền khuếch đại. Bộ khuếch đại vi sai biến đổi trở kháng với mạch xác định đỉnh hình thành một vòng lặp. Mạch xác định đỉnh quyết định mức ngưỡng tức thời cho tín hiệu tới. Đầu ra của tầng tiền khuếch đại sẽ được ghép DC với các tầng khuếch đại kế tiếp. Trên quan điểm thiết kế thì mạch hồi tiếp phía sau sẽ hoạt động ổn định hơn mạch hồi tiếp phía trước bởi vòng hồi tiếp âm cho phép bộ thu hoạt động ổn định hơn nhưng lại yêu cầu thêm một mạch tiền khuếch đại biến đổi trở kháng. Trong cấu trúc hồi tiếp phía trước, mạch tiền khuếch đại ghép DC thông thường được sử dụng nhưng cần được thiết kế một cách kỹ lưỡng để tránh xảy ra tự kích gây ra dao động trong mạch. Bộ thu quang còn có thể được phân loại dựa vào cách xác định ngưỡng của nó. Cách đặt ngưỡng đầu tiên là đầu thu xác định ngưỡng thích nghi dựa vào tín hiệu quang thu ở đầu vào. Do đó, phương pháp này gọi là phương pháp tự động điều khiển ngưỡng ATC (Auto Threshold Control). Cách đặt ngưỡng thứ hai là đầu thu xác định ngưỡng hoàn toàn dựa vào trường “preamble” trong gói dữ liệu thông qua kỹ thuật tự động điều khiển hệ số khuếch đại AGC và giữ giá trị là hằng số trong trường “payload”.


78


Hình 2.26–Cấu trúc bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode Hình 2.27 thể hiện sơ đồ khối của một IC khuếch đại chế độ burst-mode bao gồm bộ khuếch đại giới hạn, đệm tín hiệu đầu ra và mạch ATC. IC này hoạt động do 1 nguồn +3.3V cung cấp. Mạch ATC gồm có : mạch xác định ngưỡng, mạch hồi tiếp DC, mạch chia đôi và mạch “reset”. Như đã thấy đáp ứng của mạch ATC trong


79

Đồ án tốt nghiệp hình 2.27, mạch xác định ngưỡng khi nhận được mức logic “1” ở đầu vào tín hiệu thì mạch hồi tiếp DC sẽ giữ mức logic “0”. Mạch chia đôi sẽ đặt mức ngưỡng ở giữa 2 mức tín hiệu trên. Để xóa tín hiệu đầu ra của mạch xác định ngưỡng, mạch “reset” nhanh chóng xả điện tích thông qua tụ điện giữ mức đỉnh cùng với tín hiệu “reset” được gửi tới. Như vậy, rõ ràng mạch ATC là mạch xác định đỉnh có độ chính xác cao với đáp ứng nhanh và độ nhạy cao. Bộ thu chế độ burst-mode yêu cầu khả năng hoạt động dưới một dải động rất rộng, đáp ứng nhanh bắt đầu từ bit tín hiệu đầu tiên của gói dữ liệu đưa tới và xác định được tín hiệu với tỉ số phân biệt rất thấp. Để có thể hoạt động đạt được những yêu cầu trên, mạch tiền khuếch đại cần phải tự điều chỉnh hệ số khuếch đại theo từng burst tức là hệ số khuếch đại lớn cho tín hiệu nhỏ và hệ số khuếch đại nhỏ cho tín hiệu lớn. Trong cùng một thời điểm, mạch tiền khuếch đại burst-mode phải có thể phân biệt được mức tín hiệu có hệ số phân biệt thấp với độ nhạy cao. Nếu đầu vào là tín hiệu lớn nhưng có hệ số phân biệt thấp tới mạch tiền khuếch đại AGC thông thường, dạng tín hiệu đầu ra sẽ bị phân cực lớn như hình 2.28a. Biên độ tín hiệu ra sẽ bị hạn chế làm cho đầu thu khó có thể phân biệt được mức logic “0” và “1” một cách phù hợp. Nhằm giải quyết vấn đề về sự hạn chế của tỉ số phân biệt mức tín hiệu đầu ra, một khối AGC có khả năng điều khiển khuếch đại biến đổi trở kháng cần được thêm vào từng tầng trong mạch phụ thuộc vào biên độ tín hiệu đầu vào. Hình 2.28b là đáp ứng của khối AGC này cho tín hiệu burst có tỉ số phân biệt thấp. Đường G1 trên hình vẽ là đáp ứng của bộ khuếch đại biến đổi trở kháng cho tín hiệu lớn, đường G2 là đáp ứng cho tín hiệu nhỏ với hệ số khuếch đại cao hơn so với trường hợp tín hiệu lớn. Để bảo đảm khuếch đại trong cùng một tầng, mức logic “0” không thể lớn bằng mức logic “0” trong các bộ tiền khuếch đại thông thường. Nhờ vậy, mạch này có khả năng phân biệt mức logic “0” và “1” một cách thích hợp, cho phép đầu thu khôi phục lại tín hiệu burst với tỉ số phân biệt thấp.


80


Hình 2.27–Sơ đồ khối của một IC tiền khuếch đại chế độ burst-mode

Hình 2.28–So sánh giữa mạch AGC thông thường và mạch AGC burst-mode Hình 2.29a là hình dạng một bộ tiền khuếch đai AGC. Mạch này gồm một mạch xác định mức nền BLD (Bottom Level Dectector), mạch điều khiển khuếch đại GCC (Gain Control Circuit), mạch “reset” và một transistor FET nối song song với điện trở hồi tiếp. Hình 2.29b là đáp ứng của từng khối với tín hiệu burst ở đầu vào. BLD nhanh chóng xác định mức nền của tín hiệu sau tầng khuếch đại thứ ba và mạch giữ trong BLD sẽ giữ lại mức tín hiệu này. Tùy theo mức tín hiệu này, mạch GCC sẽ phát ra một điện áp không đổi trong suốt quá trình hoạt động của tầng này để đưa tới điện áp cực cổng của FET (FET được nối song song với điện trở hồi tiếp nhằm mục đích giảm trở kháng hồi tiếp). Khi dòng đầu vào IC tăng (do công suất


81

Đồ án tốt nghiệp tín hiệu quang tới cao), điện áp cực cổng của FET tăng làm giảm biến đổi trở kháng. Vì thế biến đổi trở kháng phụ thuộc vào dòng điện đầu vào. Khi tín hiệu trong tầng thay đổi, một tín hiệu “reset” được phát ra tới BLD, đầu ra của mạch GCC và mạch khuếch đại biến đổi trở kháng để chúng trở về trạng thái ban đầu. Kết quả là tầng khuếch đại có dải động lớn mặc dù với tín hiệu có tỉ số phân biệt thấp.

Hình 2.29–Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của tầng tiền khuếch đại AGC Tất cả các bộ thu được nói đến ở trên đều được ghép trực tiếp giữa các tầng giúp cho chúng có đáp ứng nhanh và giảm sai sót với tín hiệu burst. Những thiết bị này được xây dựng cho mạng BPON và GPON với đặc điểm định thời một cách chặt chẽ. Có thể lấy ví dụ trong mạng GPON tốc độ dữ liệu 1,244Gbps với 32 bit bảo vệ (25,6ns) được chỉ định cho thời gian laser bật và tắt, 44 bit trong trường “preamble” (35,4ns) tại đầu mỗi gói burst chỉ định cho việc điều khiển khuếch đại và phục hồi xung clock. Như đã biết trong mạng EPON, bộ thu có thời gian khởi động lên tới 400ns cho phép sử dụng mạch ghép AC cho những ứng dụng có thời gian đủ ngắn cho phép. Khi mạch ghép AC được ứng dụng cho những mạch có hằng số thời gian nhỏ làm cho mạch có đáp ứng rất nhanh với tín hiệu đầu vào. Hình 2.30 thể hiện sơ đồ khối của 2 mạch thu quang chế độ burst-mode ghép AC và ghép DC. Trong hình 2.30, mạch ghép AC gồm 1 tụ ngăn cách giữa 2 tầng liên tiếp, mạch tiền


82

Đồ án tốt nghiệp khuếch đại tại đầu ra đã được phối hợp trở kháng và mạch khuếch đại giới hạn phối hợp trở kháng đầu vào.

Hình 2.30–So sánh giữa đầu thu sử dụng mạch ghép AC và DC Tóm lại, kiến trúc transceiver của mạng FTTH sử dụng chế độ truyền burst-mode đã đẩy nhanh tốc độ truyền nhận dữ liệu. Thông qua việc thiết kế chi tiết các mạch điều khiển laser, sử dụng ghép tầng trực tiếp DC, mạch xác định tín hiệu thích nghi, … ; mạng FTTH có thể có tốc độ truyền nhận dữ liệu gấp nhiều lần kiến trúc transceiver thông thường. Công nghệ mạch tổ hợp sẽ tiếp tục giúp tăng tốc độ của kiến trúc này.


83


Chương III : MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN Hiện nay, khi mạng FTTH đang ngày càng đẩy nhanh tốc độ truyền tải dữ liệu (từ 1,25Gbps lên tới 10Gbps), việc tạo và làm sắc xung có sườn khoảng vài trăm ps là vấn đề tất yếu xảy ra. Bên cạnh đó, hầu hết các linh kiện phát quang là LED và laser đều bị hạn chế tốc độ bởi thời gian sống của hạt tải dẫn tới việc kéo dài sườn xuống của xung quang. Điều này đã dẫn tới vấn đề cần phải thiết kế một máy phát xung cực ngắn có sườn lên và xuống tầm cỡ từ vài chục tới vài trăm pico giây. Có rất nhiều giải pháp được đưa ra giải quyết vấn đề này như sử dụng chuyển mạch quang dẫn, sử dụng đường truyền phi tuyến NTLT hoặc sử dụng diode SRD,… Trong đó, máy phát xung sử dụng diode SRD là một giải pháp đơn giản có giá thành thấp nhất thỏa mãn được nhu cầu cần thiết này. Trong luận văn này, vấn đề trên đã được giải quyết bằng cách sử dụng máy phát xung SRD với khả năng điều chỉnh độ rộng xung dùng đường dây trễ ngắn mạch.

3.1. Step-recovery-time diode (SRD) Diode SRD được tạo nên bằng cấu trúc gồm 2 chuyển tiếp p-i-n có đặc tính tương tự như chuyển tiếp p-n thông thường. Tuy nhiên, đặc tính động của diode này rất khác biệt nên tính chất này làm cho nó trở thành một ứng dụng rộng rãi trong các chuyển mạch tốc độ cao. 3.1.1.Đặc tính lý tưởng của SRD Tính chất độc đáo nhất của SRD là khả năng thay đổi một cách nhanh chóng trở kháng của nó phụ thuộc vào lượng điện tích tích tụ trong nó. Quá trình tích tụ điện tích xảy ra là kết quả của việc tái hợp những hạt tải thiểu số được tiêm vào thông qua chuyển tiếp p-i-n dưới trường phân cực thuận. Dưới điều kiện phân cực thuận, trở kháng của diode khá nhỏ (thường nhỏ hơn 1 Ohm). Ngay khi điện áp ngược đặt vào diode, diode vẫn giữ nguyên giá trị trở kháng thấp cho tới khi điện tích tích tụ tại tiếp giáp của nó được xả hết. Ngay tại thời điểm phóng hết điện tích, diode chuyển trạng thái lập tức từ trở kháng thấp lên trở kháng cao và hoàn toàn chặn dòng phân cực ngược đặt vào nó. Quá trình biến đổi trở kháng này xảy ra trong


84

Đồ án tốt nghiệp khoảng thời gian ngắn hơn 1ns. Vì vậy, SRD được dùng trong những ứng dụng phát xung có sườn cực ngắn (khoảng vài chục pico giây) hoặc sửa dạng những xung có sườn biến đổi chậm.

Hình 3.1-Hình ảnh SRD diode Điện tích tích tụ dưới điện áp phân cực thuận được tính toán bằng cách giải phương trình phân bố điện tích : i (t ) =

dQ Q + với Q>0 dt τ

[3.1]

Trong đó i(t) là dòng điện tức thời chạy qua diode, Q là lượng điện tích tích tụ trong chuyển tiếp và τ là thời gian sống của hạt tải thiểu số của diode. Trong trường hợp dòng tích tụ không thay đổi, điện tích tích tụ được cho bởi công thức : QF = I Fτ (1 − e − tF /τ )

[3.2]

Trong đó QF là điện tích tích tụ tại chuyển tiếp, IF là dòng điện phân cực thuận và tF là khoảng thời gian điện áp phân cực thuận đặt lên diode. Khi dòng phân cực ngược chạy trên diode không đổi thì thời gian để diode xả hết điện tích là :  I (1 − e − tF /τ )  tS = ln 1 + F  τ IR  

[3.3]

Trong đó : tS là khoảng thời gian cần thiết để xả hết điện tích tích tụ bởi dòng IF bằng dòng phân cực ngược IR. 3.1.2.Đặc tính thực tế của SRD Với diode SRD trong thực tế, cần phải kể tới sự xuất hiện của các thông số ký sinh khi đóng vỏ. Điều đó được thể hiện thông qua sự khác biệt giữa dạng sóng tín Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

85

Đồ án tốt nghiệp hiệu ra của diode lý tưởng và diode thực tế như hình 3.2. Để mô hình hóa đặc tính động thực tế của diode SRD, mạch tương đương được thể hiện như hình 3.3. Thông số ký sinh đầu tiên ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện trở động của diode gây ra sự sụt đỉnh của tín hiệu ra trên diode dưới điều kiện phân cực thuận : VF = φ + I F RS

[3.4]

Trong đó VF là điện áp sụt trên diode, φ là rào thế của chuyển tiếp (0,7÷0,8V) và RS là điện trở động của diode. Điện áp sụt được thể hiện rõ trên hình 3.2 ở dạng tín hiệu ra trước mạch sửa dạng xung.

Hình 3.2-Đặc tuyến động lý tưởng và không lý tưởng của diode SRD

Hình 3.3-Mạch tương đương của diode SRD Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

86

Đồ án tốt nghiệp Thông số ký sinh thứ hai ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện cảm ký sinh của diode (do quá trình đóng vỏ) tạo ra những đỉnh nhọn trên xung tín hiệu bởi sự thay đổi nhanh của dòng phân cực ngược chạy qua điện cảm ký sinh. Điện áp gây ra bởi điện cảm này được tính theo công thức :  di  VL (max) = L P  d   dt  max

[3.5]

Trong đó : VL là điện áp cực đại của các đỉnh xung nhọn, L P là điện cảm đóng vỏ. Giá trị của các đỉnh xung nhọn này sẽ giảm đi bằng cách sử dụng những phương pháp đóng vỏ có thông số ký sinh thấp hơn. Trong luận văn này sử dụng diode SMMD840 có điện cảm đóng vỏ khoảng 2nH. Các thông số này được cho bởi datasheet trong phần phụ lục. Một hiện tượng khác quan sát được trên xung hình 3.2 là việc xung tín hiệu bị dâng mức nền. Điện áp này xuất hiện do thành phần dòng phân cực ngược chạy qua điện trở động RS của diode trong suốt quá trình tích tụ của diode. Điện áp này được xác định bởi : VP = ( I F + I R ) RS

[3.6]

Trong đó VP là điện áp dâng mức nền. Thông thường, giá trị của điện áp này rất nhỏ khoảng 0,16V. Hiện tượng này có thể bỏ qua đối với mạch chỉnh dạng xung có biên độ lớn. Thông số ký sinh cuối cùng gây ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện dung ký sinh CP của quá trình đóng vỏ linh kiện. Điện cảm ký sinh LP và điện dung ký sinh CP này gây ra hiện tượng dao động “damping” của SRD. Hiện tượng này có thể khắc phục bằng cách chọn lựa SRD có thông số đóng vỏ thấp. 3.1.3.Thời gian chuyển tiếp của SRD Thời gian chuyển trạng thái lên của SRD được xác định bằng thời gian diode thay đổi trở kháng của nó trong mạch. Thông số này phụ thuộc vào việc thiết kế diode, mạch ngoài và mật độ điện tích tích tụ trong diode. Thời gian lên của diode là sự kết hợp của 2 thành phần xác định theo công thức : tr = tt 2 + tRC 2


[3.7]

87

Đồ án tốt nghiệp Trong đó tt là thời gian lên của diode do quá trinh nội tại trong nó (thông số này được cho bởi nhà sản xuất; trong luận văn này sử dụng diode có t t là 70ps) và tRC là thời gian lên của mạch điều khiển diode phụ thuộc vào điện dung phân cực ngược của diode CVR ( gồm điện dung tiếp giáp Cj song song với điện dung đóng vỏ CP) của SRD. Trong trường hợp sườn xung tính từ 10%-90% biên độ, tRC được tính theo công thức : tRC = 2,2ReqCVR

[3.8]

còn nếu tính từ 20% tới 80% biên độ thì được tính theo công thức : tRC = 1,4 ReqCVR

[3.9]

Trong đó Req là điện trở tương đương của điện trở của nguồn mắc song song với điện trở của tải.

3.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn 3.2.1.Nguyên lý thiết kế Mạch phát xung sử dụng SRD thông thường chỉ có thể sửa dạng xung hoặc phát xung có một sườn nhanh mà không thể thay đổi độ rộng của xung. Để có thể tạo ra xung có độ rộng thay đổi được, mạch sử dụng phương pháp như hình 3.4.

Hình 3.4-Mạch nguyên lý Trong hình trên, mạch gồm nguồn phát tín hiệu có trở kháng 50Ω. Nguồn phát có thể phát xung hình sin hoặc xung vuông. Mạch gồm diode SRD, đường dây trễ có độ dài Ld và tải 50Ω. Nguyên lý hoạt động của mạch : Trên hình vẽ 3.5 dưới đây minh họa xung tín hiệu sau SRD sử dụng máy phát xung 2 cực tính (hoặc có thể sử dụng máy phát tín hiệu hình sin). Tại nửa chu kỳ Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

88

Đồ án tốt nghiệp đầu, SRD phân cực thuận, điện tích được tích tụ tại SRD và lúc này chưa có điện áp ra trên tải. Dòng phân cực thuận IF sẽ tích tụ điện tích tại lớp I của chuyển tiếp p-i-n trong khoảng thời gian tF. Tại nửa chu kỳ sau, điện áp đặt vào SRD chuyển xuống âm, SRD phân cực ngược. Ngay tức thời, SRD xả hết điện tích tích tụ ra đường truyền tạo ra xung có dạng như hình vẽ.

Hình 3.5-Dạng xung tạo ra sau khi qua diode SRD Nhìn từ phía tải, xung này chia thành 2 xung tại điểm nối tiếp giữa đường truyền và đường dây ngắn mạch Ld : một xung truyền dọc theo đường truyền chính nối tiếp tải tới cửa ra, một xung truyền dọc theo đường truyền ngắn mạch. Theo nguyên lý đường truyền siêu cao tần, hệ số phản xạ của một đường truyền ngắn mạch là : Γ=

Z L − Z 0 0 − 50 = = −1 Z L + Z 0 0 + 50


[3.10]

89

Đồ án tốt nghiệp Từ công thức 3.10 có thể thấy được xung phản xạ từ đường truyền ngắn mạch có cực tính ngược với xung phát ra và được truyền trở lại đường truyền chính sau một khoảng thời gian rồi kết hợp với xung trên đường truyền chính tạo thành xung phát ra trên tải. Lúc này, đường truyền ngắn mạch có vai trò như một đường trễ với khoảng thời gian trễ giữa 2 xung truyền trên đường truyền chính là : td =

2 Ld vp

[3.11]

Trong đó vp là vận tốc truyền sóng trên đường truyền ngắn mạch được tính theo công thức 3.12 vp =

c ε

[3.12]

Trong đó ε là hằng số điện môi của môi trường truyền sóng. Hình 3.6 là hình ảnh 2 xung truyền trên đường truyền chính kết hợp lại tạo thành một xung có sườn lên và xuống bằng thời gian chuyển tiếp giữa 2 trạng thái của diode SRD; độ rộng xung bằng chính thời gian trễ truyền sóng t delay trên đường truyền ngắn mạch (tại sau điểm nối giữa đường truyền chính và đường truyền ngắn mạch). Xung phản xạ có cực tính ngược với xung phát ra và có biên độ thấp hơn xung truyền thẳng do suy hao trên đường truyền ngắn mạch.

Hình 3.6-Hình ảnh tổng hợp của 2 xung tới tải


90

Đồ án tốt nghiệp 3.2.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn Để có thể tạo ra xung có độ rộng thay đổi được, đường dây trễ sử dụng trong mạch thiết kế dùng cáp semi-rigid để tạo thành đường truyền phản xạ có thể thay đổi được chiều dài. Do xung yêu cầu thiết kế có độ rộng khoảng vài ns đồng thời có sườn dốc (vài trăm ps) nên tất cả linh kiện sử dụng đều có dải thông rộng đồng thời sử dụng linh kiện lắp ráp bề mặt. Mạch in thiết kế sử dụng đường truyền microstrip trên đế điện môi CGP-500 BF-6012 có dải thông tới 18GHz (chi tiết xem phần phụ lục). Cáp semi-rigid dùng làm đường truyền ngắn mạch cũng có dải thông khoảng 18GHz, các đầu nối tới máy phát xung 2 cực tính (máy phát tín hiệu hình sin) và cổng ra đều sử dụng connector SMA. Diode SRD sử dụng trong mạch SMMD840 (dạng 2 chân) có thời gian sống của hạt tải thiểu số là T = 10ns cho phép máy phát xung có tần số nhịp lên tới 100MHz, sườn xung tạo ra có thời gian lên và xuống khoảng 70ps (thông số này thể hiện thời gian chuyển trạng thái của SRD thường được hãng sản xuất cung cấp). Diode Schottky sử dụng trong mạch là diode HSMS8101 có điện áp ngưỡng khoảng 0,35V (cần chọn điện áp ngưỡng của Schottky càng thấp càng tốt ta sẽ được lợi về biên độ xung đầu ra do sụt áp trên Schottky). Sơ đồ mạch thiết kế :

Hình 3.7-Mạch phát và làm sắc xung cực ngắn Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

91

Đồ án tốt nghiệp Trong sơ đồ trên, connector SMA đầu vào được nối với máy phát xung 2 cực tính hoặc máy phát xung hình sin có tần số nhịp dưới 100MHz. Điện trở R1 và R3 là 2 điện trở ổn định trở kháng vào và ra của mạch được chọn giá trị là 50Ω. Tụ C1 là tụ ngăn tầng giữa tầng ra và tầng vào mạch. Diode Schottky được nối tiếp sau SRD và đường dây trễ nhằm mục đích cắt đi những xung nhọn âm (do quá trình cộng 2 xung) tạo dạng cho xung ở ngõ ra trên tải. Điện áp Vbias được sử dụng sau tụ C1 để tạo điện áp phân cực cho xung tín hiệu đầu ra. Như đã trình bày ở trên, khi phát laser điện áp đặt trên nó phải vượt qua giá trị ngưỡng Vthreshold thì laser mới phát xung quang. Vì vậy, tại đầu ra đặt Vbias gần tới Vthreshold nhằm mục đích giảm thời gian trễ khi phát xung quang tại tầng driver phía sau. Tụ C2 được dùng để lọc tín hiệu 1 chiều phân cực cho mạch, điện trở R1 và L1 mắc nối tiếp với Vbias tạo điện áp phân cực. Điện cảm L1 được dùng để chặn tín hiệu cao tần dội ngược về phía nguồn 1 chiều. Cổng ra sử dụng connector SMA để nối trực tiếp tới tầng điều khiển laser. Trong thiết kế mạch ta chọn ZL>> Z0 = 50Ω thì càng tốt giảm tín hiệu cao tần phản xạ ngược về nguồn nên tại tần số 10GHz, ZL chọn khoảng vài chục kΩ trở lên hay nói cách khác L ta chọn khoảng vài chục µH. Tụ C1 làm nhiệm vụ ngăn cách tín hiệu một chiều giữa tầng vào và ra nằm nối tiếp trên đường truyền nên thường chọn giá trị trở kháng khá nhỏ để giảm phản xạ do sự biến đổi trở kháng khi tụ C1 nối tiếp trên đường truyền (ZC1 nt Z0). Trong mạch thiết kế chọn giá trị tụ C1 có trở kháng dưới mΩ tại tần số 10GHz đảm bảo tầng ra phối hợp trở kháng 50Ω. Tính toán đường truyền mạch vi dải : Đường truyền mạch vi dải là loại đường truyền sóng phẳng được dùng phổ biến nhất hiện nay bởi nó dễ dàng thiết kế và thực hiện thông qua công nghệ làm mạch in thông thường. Đồng thời, mạch vi dải dễ dàng tổ hợp với các linh kiện tích cực và thụ động lắp ráp bề mặt. Đường truyền vi dải gồm 1 dải dẫn có độ rộng W được in trên đế điện môi có độ dày h và hằng số điện môi εr.


92


Hình 3.8-Đường truyền mạch vi dải Do tính chất không đồng nhất của đường truyền vi dải (một mặt tiếp xúc với đế điện môi, một mặt tiếp xúc với không khí) nên mode sóng truyền trên đường truyền vi dải không phải là mode sóng TEM lý tưởng do một phần trường truyền trong môi trường không khí. Do đó, sóng truyền trên đường truyền mạch vi dải là sóng quasiTEM và các thông số đường truyền được tính toán gần đúng bằng những công thức thực nghiệm dưới đây. Vận tốc pha của sóng : vp =

c εe

[3.13]

Trong đó εe là hằng số điện môi tương đương của mạch vi dải được tính theo hằng số điện môi của đế ε bởi công thức sau : εe =

ε +1 ε −1 + X 2 2

1 12h 1+ W

[3.14]

Trở kháng của đường truyền vi dải được tính theo công thức : Z0 = Z0 =

60  8d W  ln + với W/d ≤1 ε e  W 4d 

120π với W/d ≥1 ε e [ W / d + 1.393 + 0.667 ln(W / d + 1.444) ]

[3.15] [3.16]

Trong trường hợp đã biết trở kháng đặc tính của đường truyền Z0 và hằng số điện môi của đế ε thì tỉ số W/d được tính bởi công thức sau : W 8e A = 2A với W/d< 2 d e −2


[3.17]

93

Đồ án tốt nghiệp W 2 ε −1  0.61  =  B − 1 − ln(2 B − 1) + ln( B − 1) + 0.39 −  với W/d> 2 d π 2ε  ε 

[3.18]

Trong đó : A=

Z0 ε + 1 ε − 1 0.11 + (0.23 + ) 60 2 ε +1 ε

[3.19]

B=

377π 2Z 0 ε

[3.20]

Trong đường truyền siêu cao tần, trở kháng sóng của đường truyền thường là Z0=50 Ohm. Dựa vào thông số đế điện môi và công thức 3.17 ÷ 3.20 ta tính được độ rộng của đường truyền (thiết kế cho tần số 10GHz) là : W = 1.323(mm) Trong thiết kế, để giảm suy hao do trở kháng bề mặt của lớp dẫn , mạch thiết kế phải thêm ma trận lỗ khoan như hình vẽ 3.10 đồng thời nhằm giảm suy hao truyền sóng trong không khí của đường truyền mạch vi dải cần thiết kế các đường GND sát với đường truyền tín hiệu gần nhất có thể được. Dưới đây là hình ảnh máy phát xung và layout mạch thiết kế :

Hình 3.9-Hình ảnh mạch phát xung cực ngắn Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

94


Hình 3.10-Hình ảnh mạch in layout 3.2.3.Kết quả thực nghiệm Dưới đây là kết quả thực nghiệm đo đạc xung tín hiệu tại đầu ra với độ rộng thay đổi được từ 4ns tới 500ps được dùng dao động ký sampling 3S1 Tektronic tần số 1GHz.

Hình 3.11- Xung độ rộng 4ns, sườn xung 1ns


95


Hình 3.12- Xung độ rộng 500ps, sườn xung 500ps


96


Chương IV : ỨNG DỤNG CỦA MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN 4.1.Ứng dụng của máy phát xung cực ngắn Máy phát xung cực ngắn được thiết kế để sử dụng trong mạch điều khiển laser và LED nhờ khả năng thay đổi được độ rộng xung và xung có sườn lên và xuống chỉ trong khoảng vài chục tới vài trăm ps. Mạch phát xung này được đặt trước tầng driver cho LED và laser nhằm nâng tốc độ truyền dữ liệu lên tới 1,23Gbps sử dụng 2 IC driver MAX3966 dùng cho LED và MAX3996 dùng cho laser (chi tiết tại phần phụ lục).

4.2.Một số ứng dụng phát triển của mạch phát xung cực ngắn Ngoài những ứng dụng trong thông tin quang, mạch phát xung SRD còn được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau. 4.2.1.Ứng dụng trong hệ thống UWB Ngày nay, mạng thông tin không dây đang phát triển mạnh mẽ và liên kết không dây cũng đang chiếm một vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực thông tin. Các mạng WLAN, WPAN và mạng ad-hoc được xây dựng ở khắp mọi nơi. Sự phát triển của hệ thống mạng không dây dựa trên nền tảng của kỹ thuật UWB. Kỹ thuật UWB là đưa ra những giải pháp sử dụng hiệu quả hơn vùng phổ vô tuyến có sẵn mà không cần phải tìm kiếm một vùng phổ mới. Kỹ thuật UWB đã được tổ chức FCC phát triển dành cho những liên kết vô tuyến. Xuất phát từ công thức Shanon : C = B log 2 (1 + SNR )

[4.1]

Trong đó C là dung lượng của đường truyền, B là dải thông của đường truyền và SNR là tỉ số tín hiệu/tạp âm. Rõ ràng là với dải thông của tín hiệu phát càng rộng thì chỉ cần SNR nhỏ hay nói cách khác là công suất phát rất thấp mà vẫn đảm bảo chất lượng của đường truyền. Vì vậy, hệ thống UWB được xây dựng với khả năng cung cấp dải thông rất rộng (tối thiểu là 500MHz) mà công suất phát chỉ khoảng -2dBm. Mạch phát xung UWB trở thành một đề tài rất hấp dẫn trong lĩnh vực radar và truyền thông tốc độ cao. Hệ thống UWB yêu cầu dạng tín hiệu phát ra phải có Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49

97

Đồ án tốt nghiệp dạng bước xung hoặc các xung vuông có độ rộng cỡ từ 1÷ 10ns và sườn xung khá dốc. Như vậy ta có thể thấy mạch phát xung SRD đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực UWB với khả năng thay đổi độ rộng xung và cho phép sườn xung lên tới vài chục ps. 4.2.2.Ứng dụng trong hệ thống radar định vị Trong hệ thống radar định vị, nhằm mục đích xác định chính xác vị trị của chướng ngại vật, radar phát ra một xung vào môi trường không gian. Thông qua việc đo thời gian tín hiệu phản xạ và quay ngược lại trở về phía phát mà có thể xác định chính xác khoảng cách của chướng ngại vật. Xung phát ra từ radar thường là một xung đơn hình sin có chu kỳ rất ngắn. Xung phát ra càng ngắn càng nâng cao độ chính xác của radar. Việc phát xung đơn hình sin có chu kỳ rất ngắn được tạo ra dựa trên phương pháp sử dụng diode SRD và đường dây ngắn mạch [19]. Qua đó, ta có thể thấy trong lĩnh vực radar định vị, mạch phát xung cực ngắn SRD là giải pháp rẻ tiền nhất thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật được đặt ra.


98


KẾT LUẬN CHUNG Sau thời gian thực tập và làm việc, đồ án “Hệ thống FTTH(Fiber-to-the-Home) Gigabits/s” đã hoàn thành đúng tiến độ đặt ra. Mạch phát và làm sắc xung cực ngắn là bước đi đầu tiên để phát triển mạch phát laser tốc độ cao ứng dụng trong mạng FTTH. Mạch có khả năng phát xung có sườn từ 100 ÷ 500 ps với độ rộng xung có thể điều chỉnh được theo yêu cầu sử dụng. Mạch phát và làm sắc xung này không chỉ ứng dụng trong việc thiết kế transceiver cho modem quang trong mạng FTTH mà còn có nhiều ứng dụng khác trong hệ thống UWB và radar. Trong quá trình thực hiện đồ án, bản thân em đã thu nhận được một số kết quả sau : -

Tìm hiểu về mạng FTTH và kiến trúc transceiver trong ONU và OLT

-

Cấu trúc và công nghệ thiết kế các linh kiện quang điện tử

-

Tìm hiểu diode SRD và ứng dụng của nó

-

Tính toán và thiết kế mạch siêu cao tần dùng mạch vi dải

-

Biết cách lựa chọn linh kiện siêu cao tần và đo đạc

-

Tìm hiểu những vấn đề liên quan tới mạch làm sắc xung và phát xung cực ngắn

Do thời gian có hạn và khối lượng công việc khá lớn cùng hạn chế bởi khả năng của bản thân nên trong đồ án này chưa hoàn thành mạch phát laser tốc độ từ 1,25Gb/s tới 2,5Gb/s cùng thiết kế mẫu transceiver ứng dụng cho mạng FTTH. Hi vọng trong thời gian tới em có thể tiếp tục hướng phát triển này cùng một số ý tưởng ứng dụng khác tiếp tục kết quả của đồ án này.


99


TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].

http://www.infocellar.com/networks/new-tech/PON/PON-real.htm, truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009

[2].

http://www.cs.cmu.edu/afs/andrew.cmu.edu/usr9/sirbu/www/pubs/FITL/tprc 6.html , truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009

[3].

http://vntelecom.org/diendan/, truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009

[4].

Josep Prat, Next-Generation FTTH Passive Optical Network, Springer Press, 2008

[5].

Quang Minh, Công nghệ và chuẩn hóa mạng quang thụ động

[6].

IEEE Standard for Information Technology, IEEE 802.3ah Ethernet in the First Miles Task Force, D3.3, April 19,2004

[7].

ITU-T Rec.G.983.1, Study Group 15, “Broadband optical access based on passive optical network”, Oct.1998

[8].

ITU-T Rec.G.984.2, “Gigabit-capable passive optical network (GPON) : physical media dependant (PMD) layer specification ”, Mar.2003

[9].

W.Huang, X.Li, C.Xu, X.Hong, C.Xu and W.Liang, “Optical transceivers for fiber-to-the-premises application : System requirement and enabling technologies”, J.Lightwave Technol, vol.25, pp.11-27, 2007

[10].

X.Z.Qui, P.Ossieur, J.Bauwelinck, Y.C.Yi, D.Verhulst, J.Vandewege, B.De Vos and P.Solina, “Development of G-PON upstream physical media dependent prototypes”, J.Lightwave Technol, vol.22, pp.2498-2508, Nov.2007

[11].

Y.Chang and G.Noh, “1,25Gb/s uplink burst mode tranmissions : System requirement and optical diagnostic challenges of EPON physical-layer chipset for enabling broadband optical Ethernet access network”, OFC/NFOEC’06 Paper JThB84

[12].

http://en.wikipedia.org/wiki/FTTH, truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009

[13].

http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Fibre_Coaxial, truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009


100

Đồ án tốt nghiệp [14].

http://en.wikipedia.org/wiki/Switched_digital_video, truy cập cuối cùng ngày 23/02/2009

[15].

Cedric F.Lam, Passive Optical Network: Principle and Practice, Academic Press, 2007

[16].

Govind P.Agrawal, Fiber-Optics Communication System, Wiley Series in Microwave and Optical Engineering, 2002

[17].

J.S.Lee, C.Nguyen, “Uniplanar picosecond pulse generator using step recovery-time diode”, Electronic Letter, Vol.37, No.8, April 2001, pp.504506.

[18].

Hewlett Packard, “Pulse and Waveform Generation with Step Recovery Diode”, Application Note 918, California/USA, October 1986.

[19].

Jeong Soo Lee, Cam Nguyen and Tom Scullion, “New Uniplanar Subnanosecond Monocycle Pulse Generator and Transformer for TimeDomain Microwave Application”, IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique, Vol.49, No.6, June 2001, pp.1126-1129

[20].

David M.Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, 1998

[21].

Gerd Keiser, FTTX Concepts and Applications, John Wiley & Sons,

[22].

www.alldatasheet.com truy cập lần cuối cùng ngày 12/05/2009


101


BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT Active component Active Optical Network Auto Power Control Bragg grating Central Office Coupler Dynamic Bandwidth Allocation Falltime Guard time IP convergence Lasing threshold Multipoint Control Protocol Data Unit Network Element Operation Administration

Thiết bị chủ động Mạng quang tích cực Tự động điều khiển công suất Cách tử Bragg Tổng đài Bộ ghép Giao thức phân phối băng thông động Sườn xuống Khoảng thời gian bảo vệ Tính hội tụ IP Ngưỡng phát laser Giao thức điều khiển truy nhập điểm-đa

điểm Phần tử mạng and Bộ phận khai thác, quản lý và bảo dưỡng

Maintenance Optical Line Terminal Optical Network Terminal Passive Optical Network Point-to-Point Risetime Service Level Agreement Splitter Transceiver Transimpedance Amplifier


Thiết bị kết cuối kênh quang Kết nối mạng quang Mạng quang thụ động Giao thức điểm-điểm Sườn lên Chức năng thỏa thuận mức dịch vụ Bộ chia quang Bộ thu-phát Bộ khuếch đại truyền trở kháng

102


PHỤ LỤC Dưới đây là các thông số kỹ thuật của đế mạch in, diode SRD, diode Schottky và IC driver cho LED và laser


103

Do an Tot Nghiep-Duong Quang Ha

Recommend Documents