Do an Tot Nghiep_Mang FTTH-Duong Quang Ha

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤCLƠI NOI ĐÂU ................................................................... Error: Reference source not found TOM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................ Error: Reference source not found DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG..........................................................................................3DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT...............................................................................................5MỞ ĐÂU...............................................................................................................................8Chương I : MẠNG FTTH (Fiber–to–the–Home)..................................................................9

1.1.Giới thiệu chung..........................................................................................................91.1.1.Mạng FTTC và HFC.................................................................................................9

1.1.2.Giới thiệu về mạng FTTH...................................................................................131.1.3.Ưu điểm của FTTH.............................................................................................15

1.2. Mạng FTTH..............................................................................................................161.2.1. Bước song sư dung trong mạng FTTH..............................................................161.2.2. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thu động PON..............................18

1.2.2.1. AON............................................................................................................181.2.2.2. Mạng PON..................................................................................................19

1.2.3.Các chuẩn trong mạng PON...............................................................................231.2.3.1.B-PON.........................................................................................................231.2.3.2. BPON và Gigabit PON...............................................................................241.2.3.3.WDM-PON..................................................................................................261.2.3.4.CDMA-PON................................................................................................28

1.2.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON..................................................291.2.4.1.Bộ tách/ghép quang.....................................................................................291.2.4.2.Topo hình cây..............................................................................................311.2.4.3.Topo dạng bus..............................................................................................331.2.4.4.Topo dạng vòng...........................................................................................331.2.4.5.Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phu........................34

1.2.5. PON MAC layer................................................................................................361.2.5.1. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol)........361.2.5.2. PON với kiến trúc IEEE 802......................................................................40

Chương II : KIẾN TRÚC BỘ THU-PHÁT TRONG MẠNG PON....................................442.1.Đặc điểm chung.........................................................................................................44

2.1.1.Yêu câu đôi với mạng PON................................................................................452.1.2.Lớp vật lý mạng PON.........................................................................................462.1.3.Định thời cho chế độ burst-mode trong mạng PON...........................................48

2.2. Kiến trúc bộ thu-phát trong mạng.............................................................................532.2.1. Sơ đồ khôi của ONU/OLT.................................................................................542.2.2. Thiết bị thu và phát tín hiệu quang....................................................................56

2.2.2.1.Thiết bị phát quang......................................................................................562.2.2.1.1.LED (Light Emitting Diode).................................................................572.2.2.1.2.Laser......................................................................................................58

2.2.2.2.Thiết bị thu quang........................................................................................622.2.2.3.Bộ ghép WDM.............................................................................................662.2.2.4.Bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA...........................................................67

2.2.3. Các module thu và phát quang...........................................................................682.2.4. Bộ thu-phát chế độ burst-mode..........................................................................71

2.2.4.1. So sánh giữa chế độ thông thường và chế độ burst-mode..........................712.2.4.2. Bộ phát quang chế độ burst-mode..............................................................722.2.4.2. Bộ thu quang chế độ burst-mode................................................................79

Chương III : MẠCH PHÁT VA LAM SẮC XUNG CỰC NGẮN.....................................86

Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 1


3.1. Step-recovery-time diode (SRD)..............................................................................863.1.1.Đặc tính lý tưởng của SRD.................................................................................863.1.2.Đặc tính thực tế của SRD....................................................................................873.1.3.Thời gian chuyển tiếp của SRD..........................................................................89

3.2.Thiết kế mạch phát và làm săc xung cực ngăn..........................................................903.2.1.Nguyên lý thiết kế...............................................................................................903.2.2.Thiết kế mạch phát và làm săc xung cực ngăn...................................................933.2.3.Kết quả thực nghiệm...........................................................................................97

Chương IV : ỨNG DỤNG CỦA MẠCH PHÁT VA LAM SẮC XUNG CỰC NGẮN.....994.1.Ứng dung của máy phát xung cực ngăn.....................................................................994.2.Một sô ứng dung phát triển của mạch phát xung cực ngăn.......................................99

4.2.1.Ứng dung trong hệ thông UWB..........................................................................994.2.2.Ứng dung trong hệ thông radar định vị.............................................................100

KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................................101TAI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................102BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT..............................................................104PHỤ LỤC..........................................................................................................................105



DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNGHình 1.1-Mô hình mạng FTTC điển hình............................................................................11Hình 1.2-Mạng HFC............................................................................................................11Hình 1.3–Mạng SDV...........................................................................................................13Hình 1.4–Mạng FTTH.........................................................................................................14Hình 1.5-Đặc tuyến suy hao trong sợi quang......................................................................17Hình 1.6-Mạng Active Ethernet (trên ) và mạng AON (dưới)............................................19Hình 1.7–Mạng PON...........................................................................................................21Hình 1.8-Cấu trúc của WDM-PON.....................................................................................27Hình 1.9-Cấu hình cơ bản bộ ghép/tách quang....................................................................29Hình 1.10-Coupler hình sao và phương pháp tạo 1x8 coupler từ Y coupler.......................30Hình 1.11–Topo hình cây....................................................................................................32Hình 1.12–Topo dạng bus....................................................................................................33Hình 1.13-Topo dạng vòng..................................................................................................34Hình 1.14–Topo hình cây với đường tải phu.......................................................................34Hình 1.15–Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng.............................................................35Hình 1.16–Topo dạng vòng kết hợp....................................................................................35Hình 1.17-Thời gian Round-trip..........................................................................................37Hình 1.18-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate....................................................38Hình 1.19-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report.................................................39Hình 1.20-Hướng xuông trong PtPE...................................................................................41Hình 1.21-Hướng lên trong PtPE.........................................................................................41Hình 1.22-Câu giữa các ONU trong PtPE...........................................................................42Hình 1.23-Hướng truyền xuông trong SME........................................................................42Hình 1.24-Hướng truyền lên trong SME.............................................................................43

Hình 2.1-Định thời cho chế độ burst mode..........................................................................49Hình 2.2–Một vài bộ thu-phát sư dung trong mạng quang..................................................53Hình 2.3–Sơ đồ khôi kiến trúc thu-phát trong mạng PON..................................................55Hình 2.4-Sơ đồ khôi IC MAC Control................................................................................56Hình 2.5-Đặc tính của LED : a)Đường cong P-I của LED tại một dải nhiệt độ..................58Hình 2.6-Cấu trúc của DFB laser.........................................................................................60Hình 2.7-Hình ảnh của F-P laser.........................................................................................60Hình 2.8–Đặc tuyến P-I của laser DFB (a) và F-P (b).........................................................61Hình 2.9-Hình ảnh cấu trúc của laser VCSEL.....................................................................62Hình 2.10-Đặc tuyến hoạt động của laser VCSEL..............................................................62Hình 2.11- Hình ảnh photodiode p-i-n.................................................................................63Hình 2.12- Hình ảnh photodiode APD và phân bô điện trường trên no..............................64Hình 2.13-Đặc tuyến V-I của APD và hệ sô nhân...............................................................65Hình 2.14-DFB và APD đong goi theo cấu trúc TO-CAN..................................................66Hình 2.15-Đặc điểm phổ của đường truyền và hình ảnh bộ lọc WDM...............................67Hình 2.16–Kiến trúc tâng tiền khuếch đại...........................................................................67Hình 2.17-Module thu-phát 2 chiều dạng diplexer..............................................................70Hình 2.18–Module thu phát 2 chiều dạng triplexer.............................................................70Hình 2.19–Dạng dữ liệu truyền đi trong thông tin sô..........................................................72Hình 2.20–Đặc tuyến nhiệt độ của laser F-P.......................................................................74Hình 2.21–Sơ đồ khôi của IC điều khiển laser diode điển hình..........................................75Hình 2.22–So sánh giữa mạch LDS trong 2 chế độ liên tuc và burst-mode........................76Hình 2.23-Hai sơ đồ mạch APC điển hình..........................................................................76Hình 2.24–Tín hiệu định thời và mẫu măt của BM-Tx mạng EPON..................................78



Hình 2.25–Mẫu măt đo được ở các nhiệt độ khác nhau......................................................79Hình 2.26–Cấu trúc bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode.......................................................81Hình 2.27–Sơ đồ khôi của một IC tiền khuếch đại chế độ burst-mode...............................83Hình 2.28–So sánh giữa mạch AGC thông thường và mạch AGC burst-mode..................83Hình 2.29–Sơ đồ khôi và nguyên tăc hoạt động của tâng tiền khuếch đại AGC.................84Hình 2.30–So sánh giữa đâu thu sư dung mạch ghép AC và DC........................................85

Hình 3.1-Hình ảnh SRD diode.............................................................................................87Hình 3.2-Đặc tuyến động lý tưởng và không lý tưởng của diode SRD...............................88Hình 3.3-Mạch tương đương của diode SRD......................................................................88Hình 3.4-Mạch nguyên lý....................................................................................................90Hình 3.5-Dạng xung tạo ra sau khi qua diode SRD.............................................................91Hình 3.6-Hình ảnh tổng hợp của 2 xung tới tải...................................................................92Hình 3.7-Mạch phát và làm săc xung cực ngăn...................................................................93Hình 3.8-Đường truyền mạch vi dải....................................................................................95Hình 3.9-Hình ảnh mạch phát xung cực ngăn.....................................................................96Hình 3.10-Hình ảnh mạch in layout.....................................................................................97Hình 3.11- Xung độ rộng 4ns, sườn xung 1ns.....................................................................97Hình 3.12- Xung độ rộng 500ps, sườn xung 500ps.............................................................98

Bảng 1.1- So sánh các chuẩn công nghệ TDMA PON [5]..................................................26

Bảng 2.1-Dự trữ công suất [6].............................................................................................45Bảng 2.2-Tính chất lớp vật lý của mạng BPON [7]............................................................47Bảng 2.3-Lớp vật lý mạng EPON và GPON [8].................................................................48Bảng 2.4-Định thời chế độ burst mode cho GPON và EPON [8,10]..................................50Bảng 2.5-Tham sô cơ bản cho chuẩn GPON lớp B cho tâng PMD [8]...............................51Bảng 2.6-Các tham sô PMD chính trong mạng EPON [11]................................................52



DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AGC Auto-gain Control

AON Active Optical Network

APC Auto Power Control

APD Avalanche Photodiode

ATC Automatic Threshold Control

ATM Automated Teller Machine

AWG Array Waveguide Grating

BLD Bottom Level Detector

BM-CDR Burst-mode Clock Data Recovery

BM-LDD Burst-mode Laser Diode Driver

BOSA Bidirectional Optical Sub-Assembly

BPON Broadband Passive Optical Network

CATV Cable Television

CDMA Code Division Multiple Access

CDMA-PON Code Division Multiple Access Passive Optical Network

CDR Clock Data Recovery

CO Central Office

CRC Cyclic Redundancy Check

DBA Dynamic Bandwidth Allocation

DFB Distributed Feedback Bragg

EFM Ethernet in First Mile

EPON Ethernet Passive Optical Network

FDMA Frequency Division Multiple Access

F-P Fabry Perot

FSAN Full Service Access Network

FTTC Fiber-to-the-Curb

FTTH Fiber-to-the-Home



GEM GPON Encapsulation Method

GPON Gigabit Passive Optical Network

GTC GPON Tranmission Conversion

HDTV High-definition Television

HFC Hybrid Fiber Coaxial

IPTV Internet Protocol Television

LDS Laser Driver Stage

LED Light Emitting Diode

LLID Link Logic ID

LVCMOS Low-Voltage CMOS

MAC Medium Access Control

MPCPDU Muli-Point Control Protocol Data Unit

MTBF Mean Time Between Failure

NE Network Element

NPA Network Power Assembly

NTT Nippon Telegraph and Telephone

OAM Operations Administration and Maintenance

ODN Optical Distribution Network

OLT Optical Line Terminal

ONT Optical Network Terminal

ONU Optical Network Unit

OSA Optical Sub-Assembly

PD Photodiode

PECL Positive Emitter-Coupler Logic

PLM Power Leveling Mechanism

PLOAM Physical Layer Operation Administration and Maintenance

PLP Packet Layer Preample

PMD Physical Media Dependant

PON Passive Optical Network

POTS Plain Old Telephone Service

PtPE Point to Point Emulation



QAM Quadrature Amplititude Modulation

ROSA Receive Optical Sub-Assembly

RTT Round Trip Time

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SDV Switched Digital Video

SerDes Serializer/Deserializer

SFF Small Form Factor

SLA Service Level Agreement

SME Share Medium Emulation

SNR Signal-to-Noise Ratio

SRD Step Recovery-Time Diode

TDMA Time Division Multiple Access

TDMA-PON Time Division Multiple Access Passive Optical Network

TDP Transmit and Dispersion Penalty

TIA Transimpedance Amplifier

TOSA Transmit Optical Sub-Assembly

UWB Ultra-WideBand

VCI Virtual Circuit Identifier

VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser

VOD Voice on Demand

VoIP Voice over Internet Protocol

VPI Virtual Path Identifier

VPN Virtual Private Network

WDM-PON Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network



MỞ ĐẦU

Trong xu thế hội nhập toàn câu, mạng Internet là công cu hỗ trợ không thể thiếu

của mỗi người trong hâu hết các lĩnh vực của đời sông. Cùng với sự phát triển của

công nghệ nano, công nghệ bán dẫn và công nghệ quang-điện tư, mạng FTTH đang

được triển khai trong thời gian hiện nay mà dẫn đâu là các nước co nền công nghiệp

điện tư phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quôc,…

Mạng FTTH là một kiến trúc mạng mới sư dung sợi quang làm môi trường truyền

dẫn nên mạng cung cấp cho người sư dung băng thông rộng, tôc độ truyền dữ liệu

cao với chất lượng dịch vu khá tôt. Dựa trên công nghệ mạng quang thu động cùng

với kiến trúc transceiver mới, mạng FTTH co khả năng cung cấp cho sô lượng thuê

bao lớn hơn rất nhiều so với mạng Internet thông thường, dễ dàng mở rộng mạng và

cho phép người sư dung dùng đồng thời nhiều dịch vu truyền thông tôc độ cao.

Nội dung đồ án gồm 4 chương :

Chương I : Tìm hiểu mạng FTTH, kiến trúc mạng và các chuẩn sư dung trong

mạng

Chương II : Tìm hiểu kiến trúc transceiver trong mạng FTTH, các linh kiện sư

dung trong transceiver và phân tích sơ đồ khôi sư dung.

Chương III : Thiết kế mạch phát và làm săc xung cực ngăn sư dung diode SRD co

độ rộng xung điều chỉnh được, sườn xung khoảng vài chuc tới vài trăm picosecond.

Chương IV : Trình bày hướng phát triển của đồ án và các ứng dung của mạch

phát và làm săc xung noi trên.



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 câu gây ảnh hưởng

lớn tới các nhà cung cấp mạng trên toàn câu trong vài chuc năm gân đây. Sự phổ

biến của mạng Internet cùng với các yêu câu ngày càng tăng lên về lĩnh vực

multimedia, truyền hình trực tuyến, … qua mạng Internet yêu câu mạng phải phân

phôi băng thông rộng cho nhiều người sư dung với độ tin cậy cao. Với sô lượng

người dùng ngày càng lớn và nhiều yêu câu dịch vu chất lượng cao, hiện tượng

thiếu băng thông sẽ là tương lai gân cho tất cả các nhà cung cấp mạng Internet nếu

nhà cung cấp vẫn sư dung những thiết bị mạng và hình thức tổ chức mạng theo kiểu

truyền thông sư dung 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 chông 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 sông trong Internet hiện

nay đều được xây dựng bằng cáp quang. Tuy nhiên, việc kết nôi trực tiếp từ người

dùng tới mạng Internet bằng cáp quang mới chỉ băt đâu được thực hiện trong những

năm gân đây. Lý do chính giải thích cho vấn đề này là hệ thông dịch vu multimedia

chưa phát triển đồng thời những yêu câu về dịch vu băng rộng chưa trở nên phổ

biến. Một lý do khác là việc lăp đặt cáp quang co chi phí rất cao chưa thỏa mãn

được yêu câu cân thiết. Do đo, mạng cáp quang tới tận thuê bao FTTH (Fiber-to-

the-Home) là một bước tiến vượt bậc trong công nghiệp multimedia nhờ khả năng

cung cấp các dịch vu 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 tôc độ truyền dữ liệu cao và giá thành lăp 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 thông cáp lúc đo. Do sự phát triển



của công nghệ sợi quang thời điểm đo nên giá thành xây dựng hệ thông mạng

quang rất cao. Bởi vậy, giải pháp tạm thời để chuyển giao sang mạng cáp quang là

xây dựng những mạng co giá thành thấp hơn như FTTC, HFC mà những mạng này

sư dung cáp quang làm đường truyền tải chính nhưng vẫn sư dung phương thức kết

nôi mạng truyền thông dùng cáp bằng kim loại để kết nôi từ nhà cung cấp tới người

sư dung.Bằng phương pháp này, nhà cung cấp đã chia giá thành xây dựng mạng sư

dung sợi quang cho nhiều người sư dung. Tại thời điểm này, giải pháp chuyển sang

mạng FTTH ( một mạng toàn bộ sư dung 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 gân khu vực người sư dung. Điều này mang tới nhiều thuận lợi : (i) no

khai thác được băng thông rộng của sợi quang bằng cách chia sẻ đường truyền cho

nhiều người sư dung trong cùng mạng; (ii) bằng cách sư dung nhiều sợi quang, kiến

trúc này cho phép hạ giá thành đâu tư cho các dịch vu băng rộng cân thiết cho

tương lai. Tại chặng giữa người sư dung và các node, FTTC sư dung cáp xoăn đồng

và cáp đồng truc. Mặc dù FTTC được thiết kế để cung cấp các dịch vu video, việc

sư dung song song 2 loại cáp là cáp xoăn cho dịch vu truyền thoại và cáp đồng truc

cho dịch vu video sẽ hạ giá thành lăp đặt so với việc sư dung các bộ ghép và tách

kênh dùng cho cáp xoăn đồng truyền cả 2 dịch vu này. Trong mạng FTTC , các

thiết bị đâu cuôi truyền tôc độ cao từ nhà cung cấp và được tách kênh trên sợi

quang phân phôi cho các đường cáp quang co tôc độ thấp hơn tới người sư dung.

Các thiết bị đâu cuôi sư dung khôi nguồn NPA (Network Power Assembly) của các

host để cấp nguồn cho các thiết bị kết cuôi quang ONU (Optical Network Unit)

phía người sư dung. Khi nguồn được cấp cho NPA, các đường cáp quang phân phôi

sẽ bao gồm cả đường cáp đồng cấp nguồn. Đường cáp quang mang nhiệm vu chính

là cung cấp các chức năng truyền, nhận, và ghép kênh cho các liên kết quang tới các

khôi ONU. ONU sẽ phân chia thành các kênh truyền tới các thiết bị giao tiếp mạng

dùng cáp đồng của người sư dung. FTTC bao gồm nhiều cáp quang với dung lượng

khác nhau và các bộ chia quang, connector sẽ cung cấp băng thông cân thiết cho

người sư dung. Thông thường, một sợi quang trong mạng FTTC được dùng cho 10-



100 người sư dung và kết nôi đâu cuôi tới người dùng sư dung cáp đồng co chiều

dài khoảng 30m.

Hình 1.1-Mô hình mạng FTTC điển hình

Đồng thời các công ty truyền hình cáp cũng sư dung cáp quang để phân phôi cho

người tiêu dùng sư dung 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 truc dùng cho mạng băng rộng. Hình 1.2 dưới đây thể hiện kiến trúc mạng

HFC.

Hình 1.2-Mạng HFC



Kiến trúc mạng HFC co thành phân mạng xương sông dùng cáp quang được các

nhà cung cấp sư dung để cung cấp cả dịch vu thoại và video cho người sư dung.

Mạng HFC co thể cung cấp 500 kênh truyền dẫn khác nhau và truyền dẫn đồng thời

2 dịch vu VOD và thoại. Với truyền hình quảng bá, mạng HFC co thể cung cấp sô

kênh video tương tự cho mỗi người sư dung. Nhờ đo, HFC là mạng được dùng cho

1 nhom lớn người sư dung (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 thông

viba hoặc vệ tinh sẽ được kết hợp và phát lại vào đường cáp quang trong mạng. Sau

đo, tín hiệu này được chia cho các đường fi-đơ tới người sư dung. Bởi vì tín hiệu bị

suy hao rất lớn trong cáp đồng truc nên tại phía người dùng cân co một bộ khuếch

đại tín hiệu như mini-bridger hoặc line extender cho cả 2 chiều lên và xuông. Kiến

trúc mạng HFC sư dung chung môi trường truyền tải, tín hiệu từ nhiều người sư

dung sẽ tới 1 node xác định trong mạng. Điều đo 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 sư dung các kỹ thuật đa truy nhập thông dung như TDMA, FDMA

và CDMA cho phép nhiều người sư dung cùng đưa yêu câu tới mạng. Việc sư dung

hệ thông 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 co thể cung cấp các dịch vu băng

hẹp với tôc độ cao và nhiều dịch vu 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. Đo là mạng chuyển mạch video sô SDV (Switched Digital

Video). Do mạng FTTC là mạng truyền dẫn tín hiệu quang nên no không thể truyền

tín hiệu điện và phải được cấp nguồn bởi 1 mạng khác. Bằng cách sư dung 1 mạng

HFC với cáp đồng truc chạy dọc theo mạng FTTC thì vấn đề cấp nguồn cho mạng

FTTC được giải quyết. Do đo, mạng cáp đồng truc co thể phân phôi tín hiệu video 1

chiều đồng thời cấp nguồn cho mạng FTTC. Điều đo là lý do chính để nhà sản xuất

sư dung mạng FTTC trong kiến trúc mạng SDV để phân phôi dịch vu thoại 2 chiều

và video sô. Kiến trúc mạng SDV được sư dung để cung cấp truyền hình sô một

cách hiệu quả với băng thông rộng cho người sư dung. Hình 1.3 dưới đây là kiến

trúc điển hình của mạng SDV dùng cho cả hệ thông truyền hình cáp sư dung

phương pháp điều chế QAM và hệ thông truyền hình trực tuyến IPTV ( Internet



Protocol Television). Trong hệ thông SDV, mọi người dùng đều co khả năng tương

tác 2 chiều với hub để đưa ra yêu câu của mình.

Hình 1.3–Mạng SDV

1.1.2.Giới thiệu về mạng FTTH

Một trong những nhà cung cấp lớn nhất dịch vu mạng tại Nhật Bản là công ty

NTT đã triển khai những bước đi đâu 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 nôi viễn thông sư dung cáp quang từ nhà cung cấp

dịch vu 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 đâu cuôi của khách hàng, tín hiệu được biến đổi

thành tín hiệu điện, qua cáp mạng đi vào broadband-router. Nhờ đo, khách hàng co

thể truy cập internet bằng thiết bị này qua co dây hoặc không dây.

Tín hiệu quang được ghép kênh và đưa tới bộ chia dùng cho khu vực của 1 nhom

người tiêu dùng. Trong mạng FTTH, co rất nhiều tỷ lệ chia dùng cho bộ chia nhưng

thông thường sư dung bộ chia tỷ sô 1: 16 cho người dùng hay noi cách khác, tín

hiệu quang được ghép kênh để đưa tới cho 1 nhom 16 người sư dung khác nhau.

Khi tín hiệu quang phải chuyển đổi thành tín hiệu điện tới người sư dung, ONU cân

được đặt tại kết cuôi của mạng. Do giá thành lăp đặt của một ONU khá cao nên nhà



phân phôi thường sư dung ONU cho nhiều người sư dung để giảm chi phí lăp đặt

mạng. Hình 1.4 dưới đây thể hiện cấu trúc cơ bản của 1 mạng FTTH trong đo ONU

tương đương với 1 giao tiếp giữa mạng thông tin quang và người sư dung.

Hình 1.4–Mạng FTTH

Việc cung cấp nguồn cho mạng FTTH là một trong những vấn đề chính cân được

giải quyết. No đong vai trò quan trọng trong mạng FTTH tại hâu hết các quôc gia vì

yêu câu cấp nguồn liên tuc cho tất cả các dịch vu viễn thông trong khi mạng FTTH

không thể truyền dẫn tín hiệu điện. Với trường hợp mạng FTTC dùng cáp đồng

truc, mạng FTTC được cung cấp nguồn thông qua một mạng cáp đồng truc chạy

song song với mạng. Với mạng FTTH, khả năng tiêu thu với công suất rất thấp

chính là đặc điểm cạnh tranh lớn nhất của no với các kiến trúc mạng khác. Vấn đề

này đã được giải quyết bởi sự phát triển của các nguồn pin hiện nay; nhờ đo, thiết bị

thông tin quang đâu cuôi tại người sư dung co 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 thu công suất rất thấp. Khả năng cung cấp nguồn này của mạng

FTTH đã đẩy chi phi lăp đặt của toàn bộ mạng xuông từ 4 đến 8 lân so với các

mạng khác.

Hiện nay, sự phát triển vượt bậc trong công nghệ sợi quang cũng đẩy giá thành

của lăp đặt của mạng FTTH hạ xuông nhanh chong mà sự phát triển này băt nguồn

chính từ những tiến bộ mạnh mẽ trong công nghệ laser, các giải pháp mới trong

việc phân phôi tín hiệu video và kiến trúc mạng thu động. Bên cạnh những tiến bộ

về công nghệ , chúng ta cũng cân phải kể đến sức phát triển mạnh mẽ của mạng



Internet, các website và công nghệ video sô đã hình thành những dịch vu yêu câu

tôc độ cao, băng thông rộng. Chính những yêu câu không ngừng của người sư dung

đã nhanh chong cho nhà sản xuất thấy giới hạn của mạng và nhờ điều đo, mạng

FTTH là giải pháp tôi ưu được đề xuất cho những khả năng truyền tải băng rộng với

suy hao thấp. FTTH đặc biệt hiệu quả với các dịch vu: 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, co 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 sư dung được xem xét với nhiều ưu điểm như sô lượng các

bộ thu phát quang, thiết bị đâu cuôi của tổng đài CO (Central Office) và sợi quang

khá thấp. FTTH là mạng quang điểm đa điểm với các linh kiện quang thu động trên

đường dẫn tín hiệu từ nguồn đến thuê bao như là sợi quang, bộ nôi và bộ chia

quang.

Dưới goc độ của nhà phân phôi thì FTTH mở ra một thị trường và những cơ hội

mới về dịch vu truyền thoại , dữ liệu tôc độ cao cùng các dịch vu truyền hình,

multimedia tương tác khác. So sánh với mạng ADSL (Asymmetric Digital

Subscriber Line) hiện nay, tôc độ upload của FTTH vượt qua ngưỡng của chuẩn

ADSL2+ (1Mbps) hiện tại và co thể ngang bằng với tôc 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 vu ADSL do không bị ảnh hưởng bởi

nhiễu điện, từ trường; khả năng nâng cấp tôc độ (download/upload) dễ dàng. Ngoài

các ứng dung như ADSL co thể cung cấp Triple Play Services (dữ liệu, truyền hình,

thoại), với ưu thế băng thông vượt trội, FTTH sẵn sàng cho các ứng dung đòi hỏi

băng thông cao, đặc biệt là truyền hình độ phân giải cao yêu câu băng thông lên đến

vài chuc Mbps, trong khi ADSL không đáp ứng được. Ngày nay, các kênh truyền

hình sô được nén tới tôc độ từ 1.5 – 6Mbit/s và tiến tới công nghệ truyền hình sô

HDTV với tôc độ truyền tải 20Mbit/s. Mạng FTTH co thể cung cấp cho người dùng

đồng thời từ 5-10 kênh truyền hình HDTV với các dịch vu khác. Vì thế , với sự



phát triển của truyền hình sô thì FTTH là yêu câu không thể thiếu cho các nhà cung

cấp dịch vu truyền hình. Hơn nữa, độ ổn định của mạng FTTH ngang bằng như

dịch vu internet kênh thuê riêng Leased-line nhưng chi phí thuê bao hàng tháng

thấp hơn vài chuc lân. Đây sẽ là 1 goi dịch vu thích hợp cho nhom các khách hàng

co nhu câu sư dung cao hơn ADSL và kinh tế hơn leased-line.

Bên cạnh đo, mặt mạnh của mạng FTTH so với các mạng khác chính là FTTH co

giá thành bảo dưỡng và duy trì mạng thấp nhất. Thông thường, các công ty viễn

thông cân tiêu hao một chi phí lớn cho bảo trì và thay thế những cáp đồng cũ và

xuông cấp do sự phá hủy của môi trường hằng năm. Trong khi đo, việc sư dung sợi

quang trong mạng FTTH đã giảm thiểu chi phí bảo trì hệ thông 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 chăc cho công nghệ

Internet băng rộng đang được triển khai tại một sô nước trên thế giới như Mỹ, Nhật

Bản, Hàn Quôc,… và băt đâu được xây dựng tại Việt Nam.

1.2. Mạng FTTH

1.2.1. Bước song sư dung trong mạng FTTH

Tổn hao truyền song trên sợi quang gây ảnh hưởng lớn tới dự trữ công suất,

khoảng cách vật lý, tỉ sô 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 thu vật liệu, suy hao do tán xạ, suy hao do uôn 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 song

người ta nhận được phổ suy hao của sợi quang. Mỗi loại sợi co đặc tính suy hao

riêng. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 1.5.

Nhìn vào hình 1.5 ta thấy co ba vùng bước song suy hao thấp nhất, còn gọi là ba

cưa sổ thông tin.

* Cửa sổ thứ nhất: Ở bước song 850nm. Trong vùng bước song từ 0.8μm tới

1μm, suy hao chủ yếu do tán xạ trong đo co một phân ảnh hưởng của suy hao hấp

thu. Suy hao trung bình trong cưa sổ này ở mức từ (2-3)dB/Km.



* Cửa sổ thứ hai : Ở bước song 1300nm. Ở bước song này độ tán săc rất thấp,

suy hao chính do tiêu hao tán xạ Rayleigh. Suy hao tương đôi thấp khoảng từ

(0,40,5) dB/Km và tán săc nên được dùng rộng rãi hiện nay.

* Cửa sổ thứ ba : Ở bước song 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay

khoảng 0,3 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán săc ở bước song 1550nm lớn

so với bước song 1300nm. Tuy nhiên với một sô loại sợi quang co dạng phân bô

chiết suất đặc biệt co thể giảm độ tán săc ở bước song 1550nm như các sợi quang

DC, MC và sợi quang bù tán săc. Lúc đo việc sư dung cưa sổ thứ ba sẽ co nhiều

thuận lợi : suy hao thấp và tán săc 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 song 1,38 µm gây ra bởi hấp thu của tạp chất trong

ion OH- do quá trình sản xuất cáp quang. Thông qua các tính chất suy hao của sợi

quang, mạng FTTH được triển khai dựa trên 3 vùng bước song chính là 1310nm,

1490nm và 1550nm. Vùng bước song 1310nm để truyền dữ liệu tuyến lên, vùng

bước song 1490nm được dùng cho tuyến truyền dẫn quang tuyến xuông còn vùng

bước song 1550nm được sư dung cho việc truyền tín hiệu tương tự trên cáp truyền

hình CATV.



1.2.2. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thu động PON

Như đã noi ở phân trên, FTTH được xem như là một giải pháp hoàn hảo thay thế

mạng cáp đồng hiện tại nhằm cung cấp các dịch vu “triple play” (bao gồm thoại,

hình ảnh, truy nhập dữ liệu tôc độ cao) và các các ứng dung 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 đo là chi phí cho các linh

kiện và cáp quang tương đôi cao dẫn tới giá thành lăp đặt những đường quang như

vậy là rất lớn. Co nhiều giải pháp để khăc phuc nhược điểm này và một trong

sô đo là triển khai FTTH trên nền mạng quang thu động PON (Passive

Optical Network). Hâu hết trong các mạng quang hiện nay, mỗi đường cáp quang từ

nhà cung cấp sẽ được chia sẻ cho một sô người sư dung. Khi các đường cáp quang

này được kéo tới phía người sư dung, cân co 1 bộ chia quang để tách tín hiệu tới

các sợi quang riêng biệt tới từng người sư dung 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 thu động PON. Để co 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 sư dung một sô 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 câu no. Do đo, để tránh xung đột tín hiệu ở đoạn

phân chia từ nhà cung cấp tới người dùng, cân phải sư dung một thiết bị điện co

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). Đo chính là bước đi đâu tiên

cho sự phát triển của chuẩn 802.3ah nằm trong hệ thông chuẩn 802.3 được gọi là

Ethernet in First Mile (EFM). Mạng Ethernet tích cực này sư dung chuyển mạch

Ethernet quang để phân phôi tín hiệu cho người sư dung; nhờ đo, 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 sư dung trong các trường học. Tuy nhiên, 2

mạng này cũng co sự khác biệt đo là Ethernet trong trường học muc đích chủ yếu là

liên kết giữa máy tính và máy in còn mạng chuyển mạch Ethernet tích cực này để



dùng cho kết nôi từ phía nhà cung cấp tới khách hàng. Mỗi một khôi chuyển mạch

trong mạng Ethernet tích cực co thể điều khiển lên tới 1000 khách hàng nhưng

thông thường trong thực tế, 1 chuyển mạch chỉ sư dung 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 vu 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 băt buộc phải chuyển tín hiệu quang

thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tuc chuyển ngược lại để truyền đi.

Điều này sẽ làm giảm tôc độ truyền dẫn tôi đa co thể trong hệ thông FTTH. Ngoài

ra do đây là những chuyển mạch co tôc độ cao nên các thiết bị này rất đăt, 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 vu lẫn thiết bị đâu cuôi của khách hàng cũng như

các trạm lặp, các thiết bị chuyển tiếp và một sô các thiết bị khác trên đường

truyền. Các thiết bị chủ động là các thiết bị này cân phải cung cấp nguồn cho một

sô thành phân, thường là bộ xư lý, các chíp nhớ… Với mạng PON, tất cả các

thành phân chủ động giữa tổng đài CO và người sư dung sẽ không còn tồn tại mà

thay vào đo là các thiết bị quang thu động, điều khiển lưu lượng trên mạng dựa

trên việc phân tách năng lượng của các bước song quang học tới các điểm đâu

cuôi trên đường truyền. Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phí

cho các nhà cung cấp dịch vu vì họ không còn cân đến năng lượng và các thiết bị

chủ động trên đường truyền nữa. Các bộ ghép / tách thu động chỉ làm các công

việc đơn thuân như cho đi qua hoặc ngăn chặn ánh sáng… Vì thế, không cân

năng lượng hay các động tác xư lý tín hiệu nào và từ đo, gân như kéo dài vô hạn

khoảng thời gian trung bình giữa các lân lỗi truy cập MTBF (Mean Time

Between Failure), giảm chi phí bảo trì tổng thể cho các nhà cung cấp dịch vu.

Mạng quang thu động (PON) được xây dựng nhằm giảm sô 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 đâu cuôi kênh

quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vu và các bộ kết cuôi

mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit /Optical Network

Terminal) đặt tại gân hoặc tại nhà thuê bao. Giữa chúng là hệ thông phân

phôi mạng quan ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, các

thiết bị tách ghép thu động. Kiến trúc của PON được mô tả như trong Hình 1.7.



Hình 1.7–Mạng PON

Trong hệ thông PON, kết nôi mạng quang ONT co khả năng hỗ trợ kết nôi dịch

vu điện thoại truyền thông qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và

các giao tiếp truyền dữ liệu tôc độ cao như Ethernet và DSL. Đâu cuôi đường dây

quang OLT bao gồm các khôi giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và

các phân tư điều khiển NE (Network Element). Thiết bị OLT (thiết bị kết cuôi kênh

quang) được đặt ở phía nhà cung cấp dịch vu, còn các thiết bị ONT (thiết bị kết

cuôi mạng quang) được đặt phía nguời sư dung. Thiết bị OLT cung cấp nhiều kênh

quang, mỗi kênh quang đuợc truyền trên một tuyến cáp quang trên đo co bộ chia.

Nhiệm vu 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 song

truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tùy theo lựa chọn) đuợc dùng cho băng thông chiều

xuông từ OLT, trong đo các bước song 1310 nm sẽ đuợc truyền theo huớng lên bởi

mỗi thiết bị ONT. Hệ thông cung cấp địa chỉ, cung cấp băng thông một cách tự

động tự động cũng như việc mã hoa được sư dung để truy trì và phân tách lưu

lựợng giữa OLT và ONT.

Tại hướng xuông, OLT phát quảng bá dữ liệu tới tất cả các ONU. Tín hiệu hướng

xuông bao gồm dữ liệu cho các ONT, từ đâu Khai thác Quản lý và Bảo



dưỡng OAM (Operation Administration and Maintenance) và các tín hiệu đồng

bộ cho các ONT gưi dữ liệu hướng lên. Dựa vào các thông tin về khe thời

gian (kênh), địa chỉ goi/tế bào, bước song, mã CDMA mà các ONT tách dữ

liệu tương ứng với thuê bao của khách hàng.

Trong hướng lên, mỗi một ONU cân co giao thức điều khiển truy nhập

môi trường MAC (Medium Access Control) để chia sẻ PON. Giao thức MAC

thường được sư dung trong PON là đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA,

khi đo mỗi ONT được cấp một khe thời gian (kênh) để gưi dữ liệu của mình tới

OLT. Ngoài ra trong hướng lên cân phải co khoảng thời gian bảo vệ giữa các nhom

goi 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 thông TDMA-PON gán trước một tỷ lệ phân chia

cô định băng thông hướng lên cho các ONT mà không quan tâm co bao nhiêu dữ

liệu được gưi đi. Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sư dung

giao thức phân bổ băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). DBA

là giao thức cho phép các ONT gưi yêu câu về băng thông tới OLT nhằm sư dung

hiệu quả băng thông hướng lên. Các thông tin yêu câu co thể là các mức đây hàng

đợi đâu vào cho các lớp dịch vu khác nhau. OLT đánh giá các yêu câu từ các ONT

và gán băng thông cho gưi dữ liệu hướng lên ở lân kế tiếp theo. OLT cũng co thể

tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vu SLA (Service Level Agreement) để kết

hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông.

Thông thường các hệ thông PON truyền dữ liệu cả hướng xuông và hướng lên

trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nôi định hướng cho phép sư

dung cùng một bước song cho cả 2 hướng, tuy nhiên đôi với các hệ thông truyền tải

tôc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sư dung một bước

song riêng. Trong các mạng PON các bước song được sư dung là 1490nm hoặc

1550nm cho hướng xuông và 1310nm cho tín hiệu đường lên.

Ưu điểm của PON là no sư dung các bộ tách/ghép quang thu động, co giá thành rẻ

và co thể đặt ở bất kì đâu, không phu thuộc vào các điều kiện môi trường, không

cân 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



bảo dưỡng, vận hành. Nhờ đo mà kiến trúc PON cho phép giảm chi phí cáp sợi

quang và giảm chi phí cho thiết bị tại nhà cung cấp do no 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 co thể chia thành 2 nhom: nhom 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); nhom 2 bao gồm chuẩn theo các phương thức truy

nhập khác như WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và CDMA-

PON (Code Division Multiple Access PON)

1.2.3.1.B-PON

Mạng quang thu động băng rộng B-PON được chuẩn hoa trong chuỗi các khuyến

nghị G.938 của ITU-T. Các khuyến nghị này đưa ra các tiêu chuẩn về các khôi chức

năng ONT và OLT, khuôn dạng và tôc độ khung của luồng dữ liệu hướng lên và

hướng xuông, 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 đong khung theo cấu trúc của các tế bào

ATM. Một khung hướng xuông co tôc độ 155Mbit/s (56 tế bào ATM co

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 co một bít để

nhận dạng các tế bào PLOAM. Ngoài ra các tế bào PLOAM co 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 sô nhận dạng kênh ảo và nhận dạng đường ảo

(VPI/VCI) trong cấu trúc ATM, các ONT nhận biết và tách dữ liệu đường xuông

của mình.

Cấu trúc khung hướng lên bao gồm 56 tế bào ATM (53 byte). Mỗi một kênh

(time slot) gồm co một tế bào ATM/PLOAM và 24 bít từ mào đâu. Từ mào đâu

mang thông tin về khoảng thời gian bảo vệ (guard time), mào đâu cho phép đồng bộ

và khôi phuc tín hiệu tại OLT, và thông tin nhận dạng điểm kết thúc của từ mào



đâu. Chiều dài của từ mào đâu và các thông tin chứa trong đo được lập trình bởi

OLT. Các ONT thực hiện gưi các tế bào PLOAM khi chúng nhận được

yêu câu từ OLT.

B-PON sư dung giao thức DBA để cho phép OLT nhận biết lượng băng thông cân

thiết cấp cho các ONT. OLT co thể giảm hoặc tăng băng thông cho các ONT dựa

vào gưi các tế báo ATM rỗi hoặc làm đây tất cả hướng lên bởi dữ liệu của ONT.

OLT dừng định kỳ việc truyền hướng lên do vậy no co khả năng mời bất kỳ ONT

mới nào tham gia vào hoạt động hệ thông. Các ONT mới phát một bản tin phúc hồi

trong cưa sổ này với thời gian trễ ngẫu nhiên để tránh xung đột khi mà co nhiều

ONT mới muôn tham gia. OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONT mới bằng việc

gưi tới ONT một bản tin đo cự ly và xác định thời gian bao lâu để thu được bản tin

phúc hồi. Sau đo OLT gưi tới ONT một giá trị trễ, giá trị này được sư dung 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 đây đủ dịch vu FSAN (Full Service

Access Network) TDMA PON thứ nhất được phát triển dựa trên khai thác các ưu

điểm của công nghệ Ethernet ứng dung trong thông tin quang. E-PON được chuẩn

hoa bởi IEEE 802.3.

Trong E-PON dữ liệu hướng xuông được đong khung theo khuôn dạng Ethernet.

Các khung E- PON co cấu trúc tương tự như các liên kết Gigabit Ethernet điểm tới

điểm ngoại trừ từ mào đâu và thông tin xác định điểm băt đâu 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 sư dung giao thức điều khiển đa điểm MPCPDU (Multipoint Control

Protocol Data Unit) để gưi các bản tin “Report” yêu câu băng thông, trong khi đo

OLT gưi bản tin “Gate” cấp phát băng thông cho các ONU. Các bản tin “Gate” bao

gồm thông tin về thời gian băt đâu và khoảng thời gian cho phép truyền dữ liệu

đôi với ONU. OLT cũng định kỳ gưi các bản tin “Gate” tới các ONU hỏi xem

chúng co yêu câu băng thông hay không. Các ONU cũng co thể gưi “Report” cùng



với dữ liệu được phát trong hướng lên. Ngoài ra, giao thức DBA cũng co thể được

sư dung trong E-PON để thực hiện cơ chế điều khiển phân bổ băng thông.

Do không co cấu trúc khung thông nhất đôi với hướng xuông 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 cuc 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 cuc bộ của ONU tương ứng. Tôc độ truyền dữ

liệu E-PON co 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 tôc độ 10Gbit/s và

được ứng dung chủ yếu trong các mạng quảng bá video sô. Gbit/s PON cho phép

phân phôi nhiều dịch vu đòi hỏi băng thông lớn, độ phân giải cao, đong goi IP các

luồng dữ liệu video ngay cả khi hệ sô chia OLT/ONT là 1:64 hoặc cao hơn. Tại thời

điểm hiện tại, tôc độ chiều xuông của GPON khoảng 2.5 Gbps, và chiều lên là 1.25

Gbps. Nếu 1 OLT phuc vu duy nhất một thuê bao thì thuê bao đo co thể đuợc khai

thác toàn bộ băng thông như trên, tuy nhiên thông thường trong các mạng đã triển

khai tại một sô nuớc trên thế giới, nhà cung cấp thường thiết kế tôc độ cho một thuê

bao sư dung PON vào khoảng 100 Mbps cho chiều xuông và 40 Mbps cho chiều

lên. Với tôc độ truy nhập như vậy, băng thông đã thỏa mãn cho hâu hết các ứng

dung cao cấp như HDTV (khoảng 10 Mbps, chiều lên chiều xuông, chiều lên cho

peer-to-peer HDTV). Tuy nhiên, GPON cũng co nhược điểm chính là : thiếu tính

hội tu IP; co một kết nôi duy nhất giữa OLT và bộ chia, nếu kết nôi này mất toàn bộ

ONT không được cung cấp dịch vu.

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 no cũng đưa vào một

cơ chế thích nghi tải tin mới mà được tôi ưu hoa cho truyền tải các khung Ethernet

được gọi là phương thức đong goi G-PON (GEM – GPON Encapsulation Method).

GEM là phương thức dựa trên thủ tuc đong khung chung trong khuyến nghị G.701

ngoại trừ việc GEM tôi ưu hoa từ mào đâu để phuc vu cho ứng dung của PON, cho

phép săp xếp các dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và hỗ trợ săp xếp TDM. G-PON


http://tudiencongnghe.com/Special:Search/HDTV


sư dung cấu trúc khung GTC cho cả hai hướng xuông và hướng lên. Khung

hướng xuông băt đâu với một từ mào đâu PLOAM, tiếp sau đo là vùng tải tin GEM

và/hoặc các tế bào ATM. PLOAM gồm co thông tin cấu trúc khung và săp đặt băng

thông cho ONT gưi dữ liệu trong khung hướng lên tiếp theo. Khung hướng lên bao

gồm các nhom khung gưi từ các ONT. Mỗi một nhom được băt đâu với từ mào đâu

lớp vật lý mà co chức năng tương tự trong B-PON, nhưng cũng bao hàm tổng hợp

các yêu câu băng thông của các ONT. Ngoài ra, các trước PLOAM và các yêu câu

băng thông chi tiết hơn được gưi đi kèm với các nhom hướng lên khi co yêu câu từ

OLT. OLT gán các thời gian cho việc gưi dữ liệu hướng lên từ cho mỗi ONT.

Đặc tính B-PON G-PON E-PON

Tổ chức chuẩn hoaFSAN và ITU-T SG15(G.983 series)

FSANvà ITU-T SG15(G.984 series)

IEEE 802.3 (802.3ah)

Tôc độ dữ liệu155.52 Mbit/s hướnglên. 155.52 hoặc 622.08Mbit/s hướng xuông

Lên tới 2.488 Gbit/s cả 2hướng

1 Gbit/s cả 2 hướng

Tỷ lệ chia (ONUs/PON) 1:64 1:64 1:64 **Mã đường truyền Scrambled NRZ Scrambled NRZ 8B/10BSô lượng sợi quang 1 hoặc 2 1 hoặc 2 1

Bước song1310nm cả 2 hướnghoặc 1490nm xuông &1310nm lên

1310nm cả 2 hướng hoặc1490nm xuông &1310nm lên

1490nm xuông &1310nm lên

Cự ly tôi đa OLT-ONU 20 km (10 – 20) km (10 – 20) kmChuyển mạch bảo vệ Co hỗ trợ Co hỗ trợ Không hỗ trợ

Khuôn dạng dữ liệu ATM GEM và/hoặc ATMKhông (sư dung trựctiếp các khungEthernet)

Hỗ trợ TDM Qua ATMTrực tiếp (qua GEM hoặcATM) hoặc CES

CES

Hỗ trợ thoại Qua ATM Qua TDM hoặc VoIP VoIPQoS Co (DBA) Co (DBA) Co (ưu tiên 802.1Q)Sưa lỗi hướng tới trướcFEC (Forward ErrorCorrection)

Không RS(255, 239) RS(255, 239)

Mã hoa bảo mật AES – 128 AES - 128, 192, 256 Không

OAM PLOAM và ATMGTC và ATM/GEMOAM

802.3ah EthernetOAM

Bảng 1.1-So sánh các chuẩn công nghệ TDMA PON [5]

1.2.3.3.WDM-PON

WDM-PON là mạng quang thu động sư dung phương thức đa ghép kênh phân

chia theo bước song thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA. OLT sư



dung một bước song riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm-điểm. Mỗi

một ONU co một bộ lọc quang để lựa chọn bước song tương thích với no, OLT

cũng co một bộ lọc cho mỗi ONU.

Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các bước song ONU như là:

- Sư dung các khôi quang co thể lăp đặt tại chỗ lựa chọn các bước song ONU

- Dùng các laser điều chỉnh được.

- Căt phổ tín hiệu.

- Các phương thức thu động mà theo đo OLT cung cấp tín hiệu song mang tới

các ONU.

- Sư dung tín hiệu hướng xuông để điều chỉnh bước song đâu ra của laser

ONU.

Cấu trúc của WDM-PON được mô tả như trong Hình 1.8. Trong đo WDM-PON

co thể được sư dung cho nhiều ứng dung khác nhau như là FTTH, các ứng dung

VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa. Các bộ thu WDM-PON sư dung kỹ

thuật lọc quang mảng ông dẫn song AWG (Array Waveguide Grating). Một AWG

co 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 no khả năng cung cấp các dịch vu dữ liệu theo

các cấu trúc khác nhau (DS1/E1/DS3, 10/100/1000 Base Ethernet…) tùy theo

yêu câu về băng thông của khách hàng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của



WDM-PON là chi phí khá lớn cho các linh kiện quang để sản xuất bộ lọc ở những

bước song 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 co thể triển khai trong

các ứng dung PON. Cũng giông như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU

sư dung khuôn dạng và tôc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu câu của

khách hàng. CDMA-PON cũng co thể kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng

thông.

CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tân truyền dẫn trải

trên cùng một kênh thông tin. Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hoa

và nhận dạng thông qua bộ giải mã. Phân lớn công nghệ ứng dung trong CDMA-

PON 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 hoa thành chuỗi ký tự dài hơn và co

tôc độ cao hơn.

Mỗi ONU sư dung trị sô chuỗi khác nhau cho kí tự của no. Để khôi phuc lại dữ

liệu, OLT chia nhỏ tín hiệu quang thu được sau đo gưi 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 co 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 sô tín hiệu/tạp âm. Với hệ thông CDMA-PON không co

bộ khuếch đại quang thì tùy thuộc vào tổn hao bổ sung trong các bộ chia, bộ xoay

vòng, các bộ lọc mà hệ sô tỷ chia ONU/OLT chỉ là 1:2 hoặc 1:8. Trong khi đo với

bộ khuyếch đại quang hệ sô này co thể đạt 1:32 hoặc cao hơn. Bên cạnh đo các bộ

thu tín hiệu trong CDMA-PON là khá phức tạp và giá thành tương đôi cao. Chính

vì những nhược điểm này nên hiện tại CDMA-PON chưa được phát triển rộng rãi.

Tông kêt:

Công nghệ PON ra đời mở ra một tiềm năng lớn cho triển khai các dịch vu băng

rộng và thay thế dân các hệ thông mạng truy nhập cáp đồng băng thông hẹp và chất


a)

c)

b)

I1

I1

I2

I1

I2

O2

O3

O2

O2

O3


lượng thấp. Các mạng PON sư dung hệ thông thông tin quang co băng thông rộng

tỷ lệ lỗi bít thấp (BER: 10-10÷ 10-12) Tuy nhiên, no cũng co nhược điểm là giá thành

xây dựng tương đôi cao và không triển khai được tại những địa hình phức tạp. Co

nhiều chuẩn PON khác nhau, do vậy trong thực tế tùy vào yêu câu thực tế mà một

nhà khai thác cân 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 thu động sư dung một thiết bị thu 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 nôi với nhau. Tỷ sô

tách của bộ tách co thể được điều khiển bằng chiều dài của tâng nôi và vì thế no là

hằng sô.

Hình 1.9-Cấu hình cơ bản bộ ghép/tách quang

Hình 1.9a co chức năng tách tia vào thành 2 tia ở đâu ra, đây là Coupler Y.Hình

1.9b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đâu vào thành một tín hiệu tại đâu

ra. Hình 1.9c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân

hướng 2x2. Coupler co 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.



Hình 1.10-Coupler hình sao và phương pháp tạo 1x8 coupler từ Y coupler

Coupler được đặc trưng bởi các thông sô sau:

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

năng lượng đâu vào (db). Đôi 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 đâu vào được chia ở mỗi đâu ra. Hình (b) đưa ra

mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mô hình này mỗi

đâu ra nhận được 1/8 năng lượng đâu vào.

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

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



Hệ sô định hướng (Directivity): Lượng năng lượng đâu vào bị rò rỉ

từ một cổng đâu vào đến các cổng đâu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao

với thông sô định hướng trong khoảng 40-50dB.

Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ co một cổng vào hoặc một bộ

kết hợp (Combiner). Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo co tính không đôi xứng

cao ( với tỷ sô tách là 5/95 hoặc 10/90). Các Coupler loại này được sư dung để tách

một phân năng lượng tín hiệu, ví du với muc đích định lượng. Các thiết bị như thế

này được gọi là “tap coupler”. Bộ tách/ghép quang được sư dung 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 đo chỉ

sư dung 1 đường cáp quang nôi trực tiếp từ OLT tới bộ chia. Từ bộ chia, sẽ co một

đường cáp quang kết nôi từ mỗi ONU tới mạng. Về nguyên tăc, các mạng đều sư

dung topo hình cây với kiến trúc bộ chia ghép tâng và trong thực tế, trong một sô

mạng chỉ co 1 bộ chia thường được gọi là topo hình sao.

Ưu điểm đâu tiên của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm

nên dễ dàng xác định được những sự cô của mạng. Ưu điểm thứ hai chính là tất cả

các ONU trong cùng mạng sẽ co chung dự trữ công suất hay noi cách khác là chất

lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gân tương tự như nhau. Kiến trúc này cho phép các

ONU được sư dung chung OLT về cả khả năng xư lý và truyền tải một cách công

bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giá thành các thiết bị mạng. Hơn nữa, kết nôi

điểm – đa điểm của mạng PON cũng giảm trạng thái tăc nghẽn ở phía OLT so với

kết nôi điểm - điểm thông thường. Tuy nhiên, sô lượng ONU trong mạng theo topo

này cũng bị giới hạn bởi suy hao của các bộ ghép hình sao và nhu câu băng thông

của người sư dung. Bởi vì dung lượng của người sư dung phải phù hợp với khả

năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đo cũng là một lý do hạn chế sô

lượng người sư dung.

Topo hình sao với 1 bộ chia là kiểu topo thường gặp trong thực tế bởi khả năng co

thể chuyển đổi dễ dàng và hiệu quả từ công nghệ băng hẹp (2Mbps cho mỗi khách



hàng) lên tới mạng quang băng rộng (1Gbps cho mỗi khách hàng). Khi sô khách

hàng yêu câu dịch vu tăng lên, mạng PON với topo hình sao sẽ được chia nhanh

chong 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 sư dung các bộ ghép/chia quang thu động hình sao

mở rộng ( passive optical broadcast star coupler) do khả năng cung cấp sô lượng

cổng vào hoặc ra một cách linh hoạt của bộ chia này. Nhà cung cấp co thể dễ dàng

phân phôi một sô lượng cổng phát hữu hạn cho sô cổng ra thay đổi (và ngược lại)

hoặc co thể phân phôi một sô lượng cổng phát và thu thay đổi nếu sư dung thêm kỹ

thuật WDM (cách này thường co giá thành cao trong thực tế) với bộ chia này.

Nhược điểm của topo hình cây là chỉ co thể sư dung cho kỹ thuật đa truy nhập

TDMA trong đo các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và các ONU được chỉ

định cho mỗi đường kết nôi 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 cô sẽ gây sự cô cho toàn

mạng. Ngoài ra cân phải kể đến những sự cô 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 nôi sau bộ

chia làm cho khách hàng luôn luôn bị hạn chế tôc độ bởi 1 giá trị hằng định dẫn đến

làm giảm tính tận dung của mạng trong việc phân phôi băng thông cho người dùng.

Hình 1.11–Topo hình cây



1.2.4.3.Topo dạng bus

Topo dạng bus cũng sư dung 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 sư dung được kết

nôi vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ

đưa một phân công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sư dung. Ưu điểm của

phương pháp này là khả năng tôi thiểu hoa sô cáp quang cân được sư dung (nếu

ONU được kết nôi trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ

dàng (khi co thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cân dùng thêm bộ ghép để

kết nôi trực tiếp vào mạng). Tuy nhiên, topo này cũng co nhược điểm là : tín hiệu

quang suy hao dân qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT co thể không thu được tín

hiệu do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một sô lượng nhất định bộ ghép

nhánh. Đồng thời, với topo này sẽ yêu câu một đường cáp quang co 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 sư dung chính trong các mạng thành phô lớn bởi khả năng

mềm dẻo trong việc tôi ưu hoa các đường truyền. Trong topo dạng vòng, tồn tại 2

đường kết nôi từ OLT tới mỗi ONU nên no co 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, no cũng yêu câu sư dung 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp

khác co khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại

mỗi ONU. Do đo, topo dạng vòng cũng co 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 sô lượng ONU trong topo dạng vòng. Dung lượng của mạng được

chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sư dung 2 cáp quang



trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất nhiên, sô

lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong mạng co 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 phu

Topo dạng này được sư dung như 1 loại topo chuẩn cho mạng hình cây nhưng

trong đo sư dung 2 cáp quang cho OLT nhằm muc đích tăng sự mềm dẻo trong việc

khai thác mạng. Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt thì cáp còn lại vẫn co khả

năng hoạt động trong mạng. Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2 đường

cáp quang được sư dung cho 2 đường tải khác nhau nhằm muc 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 sư dung 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 sư dung chuyển mạch tại

mỗi ONU. Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ

được giảm một nưa và do đo, không còn giới hạn sô ONU được sư dung trong

mạng mà vẫn đảm bảo tôc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào

mạng.

Hình 1.14–Topo hình cây với đường tải phu



Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp co thể cung

cấp một mạng co khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng

dịch vu trong các mạng 2 chiều. Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và topo

hình cây mang lại khả năng phân phôi mềm dẻo và tôi 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 phôi mạng (hình 1.16). Tuy nhiên, phương pháp này sư dung những

giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong quá trình thiết lập mạng.

Hiện nay, co 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



1.2.5. PON MAC layer

Ngoài kiến trúc MAC thông thường trong Ethernet, mạng PON sư dung một sô

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 nhom

IEEE 802.3ah phát triển. MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tân cu

thể, mà thay vào đo, no là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng

tân 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 sư dung để truyền đạt các thông tin về trạng thái

hiện tại của no (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT co 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 xư lý bởi lớp con điều khiển MAC.

Co 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 nôi ONU mới, nhận biết trễ

Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đo. 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 co thể yêu câu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự

động là một thủ tuc dựa vào sự cạnh tranh. Ở lớp cao hơn no làm việc như sau:

1. OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không co ONU

khởi tạo trước nào được phép truyền. Chiều dài của khe khởi tạo này phải tôi thiểu

là: <transmission size> + <maximum round-trip time> - <minimum round-trip

time>; với <transmission size> là chiều dài của cưa sổ truyền mà một ONU không

khởi tạo co thể dùng.

2. OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian băt đâu của khe

khởi tạo và chiều dài của no. 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 no.

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 no theo

nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate.



4. Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian băt đâu của khe thời gian khởi tạo

(cũng được phân phôi trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính no

(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, no nhận biết

địa chỉ MAC của no 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, co thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin

Report co thể xung đột. Trong trường hợp đo, bản tin Report của ONU bị xung đột

sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của no. Nếu như ONU

không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đo, no sẽ kết luận rằng

sự xung đột đã xãy ra và no sẽ thư khởi tạo lại sau khi bỏ qua một sô bản tin khởi

tạo Gate ngẫu nhiên. Sô bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian

gấp đôi sau mỗi lân xung đột.

Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:



1. Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu câu

để truyền bản tin Gate đến một ONU cu thể với các thông tin như sau: thời điểm

ONU băt đâu 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 no.

3. Trong khi tiếp nhận bản tin Gate co địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của

các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong no thời gian

băt đâu truyền và khoảng thời gian truyền. ONU sẽ cập nhật đồng hồ của no 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, no đã mất sự đồng bộ và sẽ tự

chuyển vào mode chưa khởi tạo. Ở mode này, ONU không được phép truyền. No sẽ

chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại.

4. Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gân giông với thời gian được

lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của no theo nhãn thời

gian. Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm băt đâu của khe thời gian truyền

dẫn, ONU sẽ băt đâu phiên truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn này co thể chứa nhiều



khung Ethernet. ONU sẽ đảm bảo rằng không co khung nào bị truyền gián đoạn.

Nếu phân 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 trông một phân không sư

dung trong khe thời gian hiện tại.

Bản tin Report sẽ được ONU gởi đi trong cưa sổ truyền dẫn gán cho no cùng

với các khung dữ liệu. Các bản tin Report co thể được gởi một cách tự động hay

theo yêu câu 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 câu cho khe thời gian tiếp

theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU. Khi yêu câu một khe thời gian, ONU cũng

co tính đến cả các phân mào đâu bản tin, đo là các khung mào đâu 64 bit và khung

mào đâu 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, no sẽ đi qua lớp MAC

(lớp này chịu trách nhiệm phân bổ băng tân). Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu

trình đi và về với mỗi nguồn ONU như trong hình 1.19. Sẽ co một sô chênh lệch

nhỏ của RTT mới và RTT được tính từ trước băt 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 no được khởi tạo lại.



Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tuc được xây dựng và phát triển bởi

nhom 802.3ah của IEEE. Đây là nhom co nhiệm vu 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 nôi

đến miền truy nhập đơn, ở đo phân lớn một trạm co thể phát tại một lúc và tất cả

các trạm co thể nhận bất cứ lúc nào. Trong phương thức song công, đo là sự kết nôi

điểm-điểm kết nôi hai trạm và cả hai trạm co thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào

định nghĩa đo, các câu không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của

no. Noi khác, no cho rằng tất cả các trạm được kết nôi đến cùng một cổng của câu

và co thể truyền thông với nhau mà không cân thông qua câu. Phương thức này đã

tạo ra khả năng các người dùng được kết nôi đến các ONU khác nhau trong cùng

mạng PON và co thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cân xư lý ở lớp 3

hoặc lớp cao hơn.

Point to Point Emulation

Trong mô hình này, OLT phải co N cổng MAC, một cổng cho một ONU( hình

1.20). Khi một khung được gưi xuông (từ OLT đến ONU), lớp con PtPE trong OLT

sẽ chèn LinkID kết hợp với cổng MAC cu thể vào khung dữ liệu. Các khung sẽ

được chia sẽ cho từng ONU nhưng chỉ một lớp MAC của no. Ở lớp MAC của các

ONU còn lại sẽ không nhận được khung này. Trong khả năng này, no sẽ xuất hiện

nếu chỉ khi khung được gưi theo kết nôi PtP chỉ cho một ONU.


Chèn LinkID kết hợp với cổng

MAC

Chấp nhận khung nếu LinkID phù

hợp

Từ chối khung nếu LinkID không phù

hợp

Tách khung theo cổng

trong LinkID

Chèn LinkID được ấn định

cho ONU


Hình 1.20-Hướng xuống trong PtPE

Ở hướng lên, ONU sẽ chèn LinkID được ấn định của no vào mào đâu 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).

Hình 1.21-Hướng lên trong PtPE

Cấu hình PtPE thích hợp với câu khi mỗi ONU được kết nôi đến một cổng độc

lập của câu. Câu được đặt trong OLT sẽ chuyển tiếp lưu lượng vào trong ONU giữa

các cổng của no.



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 xuông, 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 xuông để tất cả các ONU nhận chính khung dữ liệu của no

thì lớp con SME ở ONU chỉ thừa nhận khung nếu LinkID của khung đo khác với

LinkID của no.

Hình 1.23-Hướng truyền xuống trong SME


Chèn LinkID quảng bá

Chấp nhận tất cả các khung ngoại trừ

khung của nó

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 câu một cổng MAC trong OLT. Chức năng vật lý của lớp này (lớp

con SME) là cung cấp truyền thông ONU đến ONU, không cân câu liên kết.

Bằng sự kết hợp với chuẩn 802 cũ, mạng PON mở ra một hướng đi mới cho thế

hệ mạng quang thu động. Mạng PON sẽ sư dung kết hợp 2 mô hình mạng điểm-

điểm và điểm-đa điểm nhằm tôi ưu hoa việc truyền tải dữ liệu và các dịch vu video

trong thời gian thực với chất lượng cao.



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 thông thông tin quang

hiện nay bởi chúng thực hiện nhiệm vu cơ bản nhất trong mạng quang là biến đổi

tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Các bộ thu phát quang sư dung 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

sô thông qua sợi quang. Transceiver (là thuật ngữ kết hợp của transmitter và

receiver) được xem là thành phân chính làm giá thành của việc lăp đặt mạng quang

tăng lên khá cao. Chính vì vậy, trên thế giới co rất nhiều nghiên cứu để thiết kế bộ

thu-phát co giá thành rẻ, hiệu suất cao và gọn nhẹ, dễ dàng sư dung trong thực tế.

Cáp quang đã được biết đến từ những năm 1990. Ban đâu, mạng sư dung cáp

quang chỉ co tôc độ khoảng 100Mbps. Sau đo, mạng này được nâng cấp co thể đạt

tới tôc độ từ 150-600 Mbps dựa vào kiến trúc SDH. Sau đo, kiến trúc mạng sư dung

các goi ATM đã được thay thế mạng Ethernet trước đo nhằm nâng cao tôc độ của

mạng. Từ đo, chuẩn đâu tiên cho mạng PON là G.893 được ITU-T đưa ra năm

1998. Đồng thời, hệ thông mạng PON tôc độ 100Mbps đã được phát triển và đưa

vào sư dung trong thương mại nhưng chỉ trong một sô vùng giới hạn và giá thành

khá cao. Trong khoảng thời gian 3-4 năm sau, tôc 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 thông

với chuẩn GPON dành cho các ứng dung thực tế. Cùng trong thời gian này, ITU-T

đưa ra chuẩn GPON với tôc độ luồng lên 1,244 Gbps và tôc độ luồng xuông 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 tôc độ của các ứng dung trong mạng FTTH.



2.1.1.Yêu cầu đối với mạng PON

Bảng 2.1 dưới đây đưa ra tỉ sô chia và dự trữ công suất cho từng kiến trúc mạng

PON ở 3 chuẩn khác nhau. BPON co thể cung cấp từ 16 đến 32 ONU và khả năng

phân phôi 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 lân lượt là 20, 25, 30

dB giữa OLT và ONU. GPON được nâng cấp từ BPON với tôc độ cao hơn co thể

sư dung chung cho đến 128 node. Đồng thời, GPON cho phép tỉ sô chia cao hơn

mang BPON khá nhiều tức là co thể phuc vu sô lượng thuê bao cao hơn so với

BPON rất nhiều nhưng no 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 sư dung chuẩn 1000BASE-TX10 hoặc 1000BASE-TX20. EPON co thể

cung cấp tôi thiểu 16 bộ chia quang chỉ cân hiệu suất co thể vượt qua một giá trị

giới hạn chấp nhận được, tỉ sô chia cũng không được xác định rõ ràng bởi no phu

thuộc chính vào suy hao của cáp quang và khả năng thiết bị lớp vật lý trong thực tế.

Trong thực tế, mạng EPON co thể cung cấp tỉ sô 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 phu 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 sư dung

theo chuẩn lớp B nhưng một vài tuyến truyền dẫn co độ dài 20km trong thực tế yêu



câu dự trữ công suất cân thiết cao hơn. Chính điều đo làm cho một sô thiết bị tích

cực trong thực tế phải co dự trữ công suất lên tới 26,5dB; nhờ vậy làm tăng khả

năng ghép với các thiết bị khác trong mạng, tăng tỉ sô chia của mạng BPON đồng

thời cho phép mạng co khả năng chấp nhận dự trữ công suất là 28dB. Do đo, lớp B+

được đưa ra trong chuẩn G.982.

Với chuẩn G.982 lớp A thường được sư dung cho các ứng dung của mạng FTTC

thì chuẩn G.982 lớp B và B+ được sư dung trong mạng FTTP ngày nay với chất

lượng và tỉ sô chia tôt nhất. Hơn nữa, mặc dù chuẩn lớp B+ co chất lượng tôt hơn

nhưng no không co giá thành cao như mạng tuân theo chuẩn lớp C (cung cấp chất

lượng mạng co dự trữ công suất cao hơn) nhờ các IC co độ nhạy cao và tạp âm nhỏ.

Trong thực tế các nhà cung cấp mạng thường sư dung chuẩn B+ để cung cấp mạng

cho thuê bao sư dung. Trong tương lai, các nhà cung cấp sẽ đưa tới những thiết bị

co thể sư dung cho tuyến truyền dẫn khoảng cách xa hơn (từ 30-40km) với tỉ sô

chia lên tới 1:128 như chuẩn lớp C.

2.1.2.Lớp vật lý mạng PON

Đặc điểm lớp vật lý trong mạng phu thuộc trực tiếp vào tính chất vật lý của cơ sở

hạ tâng mạng mà cu thể trong mạng PON là khả năng biến đổi tín hiệu quang-điện

và ngược lại, khả năng khôi phuc 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 tôc 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.



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 tôc độ cao. Trong khi GPON được dùng để phuc vu tất cả các

dịch vu khác nhau thì muc đích thiết kế mạng EPON chỉ dành để truyền tải các goi

dữ liệu trong mạng Ethernet. ITU-T đã cô găng 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 co sự khác biệt theo bảng 2.3.



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 câu 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 câu phân

phát của ONU cân phải truyền đi tín hiệu định thời mở đâu trong khe thời gian

được chỉ định bởi lớp MAC; noi cách khác là công suất tín hiệu laser và tỉ sô phân

biệt mức tín hiệu cân phải ổn định trong khoảng thời gian này đồng thời không thay

đổi trước khi khe thời gian hoàn thành công việc. Trong suôt các khe thời gian chỉ

định cho các ONU, phân phát của mỗi ONU phải được tăt hoặc không được truyền

đi tín hiệu quang; nếu không no sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh và ảnh hưởng tới dòng

tín hiệu tuyến lên. Điều này yêu câu các chuyển mạch phía phát của ONU phải co

thời gian chuyển mạch nhanh (thông thường co thời gian lên và xuông của tín hiệu

trong khoảng dưới ns) sau khi bật hoặc tăt nguồn hay khi băt đâu tiến hành kết nôi

với mạng.



Hình 2.1-Định thời cho chế độ burst mode [9]

Tom lại, co 2 yêu câu cơ bản cho phân phát của ONU là : co thời gian chuyển

mạch và khởi động nhanh bởi no chiếm vai trò rất quan trọng đôi với thiết bị co tỉ

sô chia cao (khả năng nhanh chong khôi phuc lại kết nôi sau khi co lỗi xảy ra trong

mạng chịu ảnh hưởng rất lớn của sô lượng ONU co trong mạng), co khả năng

nhanh chong phát hiện sự trôi của tín hiệu trong mạng (điều này rất quan trong khi

cân truyền tải những goi dữ liệu lớn chiếm khoảng thời gian khá dài ở trong mạng).

Phân thu của OLT phải co 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 co suy hao truyền dẫn khác nhau tới OLT do khoảng cách khác

nhau của các ONU tới OLT; bởi vậy, OLT cân phải nhận biết nhanh chong các tín

hiệu burst co 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 co biên độ rất thấp theo sau là tín hiệu burst

với biên độ lớn hơn rất nhiều thì OLT cân phải nhanh chong xác định sự biến thiên

giữa biên độ 2 tín hiệu với thời gian xác lập rất ngăn.

Bảng 2.4 dưới đây tổng kết định thời trong mạng BPON, GPON và EPON. Như

bảng dưới đây, mạng BPON và GPON co yêu câu 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 phân đâu mỗi khung. Khi 2 khe thời gian liên tuc

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 tăt laser phát ở ONU đâu tiên , bật laser phát

tại ONU thứ 2, thực hiện khuếch đại và đồng bộ xung clock ở OLT. GPON co các

tham sô yêu câu định thời chặt chẽ hơn. Ví du, trong mạng GPON với tôc độ

1,244Gbps chỉ cân dùng 32 bit trong khoảng thời gian bảo vệ để thực hiện quá trình

bật và tăt laser, 44 bit PLP được chỉ định cho việc điều khiển khuếch đại và đồng



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 ITU-

T 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 câu 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 cân 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 no. Vì vậy, mức tín hiệu thu được tại OLT của các ONU

khác nhau sẽ gân giông nhau không cân phải điều chỉnh khuếch đại và thời gian

thiết lập.



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 sô chính của giao tiếp quang PMD và đặc điểm

tín hiệu và định thời của tâng vật lý trong mạng EPON tuyến lên với khoảng cách

truyền dẫn là 20km :

1. Laser Fabry- Perot được giả thiết sư dung trong mạng này. Giá trị của độ

rộng phổ cho phép được liệt kê trong chuẩn 802.3ah.

2. Mạng phân phôi quang ODN : PX10 (0.5-10km, 5-20dB); PX20 (0.5-20km,

5-24dB)

3. Trong trường hợp tất cả các tham sô trong mạng ở tình trạng xấu nhất thì tán

xạ đơn săc trong mạng cân phải co giá trị dưới 1,5dB. Tán xạ đơn săc của

mạng là một thành phân quan trọng của tham sô 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 co nhiều đặc điểm khác biệt so với 2 mạng trên tại

tâng vật lý. Ban đâu theo chuẩn 802.3, co rất nhiều các giải pháp khác nhau cho

việc định thời chế độ burst mode như việc sư dung laser co khoảng thời gian thiết

lập ngăn, sư dung mạch tự điều chỉnh khuếch đại AGC (Auto-gain Control) và



mạch khôi phuc xung clock cùng dữ liệu CDR (Clock Data Recovery) tương tự như

trong mạng GPON. Sau khi phân tích và thư nghiệm, chuẩn 802.3 xác định các

tham sô cô định về định thời như sau : thời gian bật laser là 512 ns, thờigian tăt

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 no cân phải được thiết kế một cách đơn

giản và chi phí thấp nhất. Do đo, các thành phân của PMD phải được sản xuất với

sô lượng lớn và không cân phải sư dung bất cứ một giao tiếp sô nào khác đồng thời

cân co thời gian bật/tăt laser ổn định. Ngược lại với ONU, OLT là thiết bị co giá

thành cao nên no chỉ là thiết bị đơn nhất được sư dung ở trong từng mạng cu thể

nên no không cân phải co các giá trị định thời xác định. Trong mạng thực tế, OLT

được phép tự điều chỉnh các đặc điểm phân thu của no (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 co rất nhiều hãng cung cấp thiết bị

quang sư dung trong mạng EPON nên hiệu suất và sô 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 câu



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 co 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 song, tôc độ truyền dữ liệu, giao tiếp quang-điện, dải nhiệt độ hoạt động,…

Các nhà sản xuất cung cấp các thiết bị này băt đâu 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 sô các bộ thu-phát được sư dung 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 tư rời rạc với các thành phân được đong goi theo

chuẩn sư dung trong công nghiệp. Bởi vì giá thành của các bộ thu-phát này khá cao

nên việc sản xuất hàng loạt vẫn là yêu câu bức thiết cân được giải quyết.

Hình 2.2–Một vài bộ thu-phát sư dung trong mạng quang

Bộ thu-phát trong mạng quang là các thiết bị truyền-nhận song công sư dung

bước song khác nhau cho việc phát và thu tín hiệu quang giữa OLT tại phía nhà

cung cấp và ONU ở phía thuê bao sư dung. Hiện nay, co 2 chuẩn chính cho bộ thu-

phát là : thiết bị diplexer và triplexer. Với bộ thu-phát kiểu diplexer, bước song sư

dung theo chuẩn dùng trong công nghiệp với 1310nm cho dòng dữ liệu tuyến lên và

1490nm cho dòng dữ liệu tuyến xuông. Với thiết bị dạng triplexer, bước song

1550nm được chỉ định cho việc phát quảng bá tín hiệu video tương tự cho dòng dữ



liệu hướng xuông. Điều đo cũng co nghĩa là tín hiệu video sô được truyền trên bước

song 1490nm ở tuyến xuông qua công nghệ IP.

Để nhanh chong phát triển FTTH, giá thành của các bộ thu-phát quang cân phải

được giảm xuông một cách hợp lý; cu 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 co

giá thành cao nhưng no được chia sẻ bởi rất nhiều người sư dung ở trong mạng. Bởi

vậy, giá thành bộ thu-phát ở phía ONU chiếm vai trò quan trọng trong việc hạ chi

phí sư dung 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 sô lý do chính sau :

1. OLT co công suất quang phát ra lớn và co độ nhạy cao để bù lại suy hao của

bộ chia và đường truyền cáp quang kết nôi từ nhà cung cấp tới người sư

dung.

2. Kỹ thuật truyền tín hiệu quang chế độ burst-mode dùng cho dòng dữ liệu lên.

3. Hạ giá thành đong goi các thiết bị quang

4. Tích hợp các chức năng sô và tương tự trên một IC.

2.2.1. Sơ đồ khối của ONU/OLT

Hình 2.3 dưới đây minh họa sơ đồ khôi của bộ thu-phát sư dung 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 tuc. Đây là những khôi cơ bản nhất trong kiến trúc bộ thu, phát của mạng

PON. Trong sơ đồ khôi, bên phía ONU gồm bộ thu dòng dữ liệu tuyến xuông (Rx)

và bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên (Tx) còn bên phía OLT thì ngược lại Tx của dòng

dữ liệu tuyến xuông 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 khôi phát

tín hiệu quang TOSA (Transmit Optical Sub-Assembly). Bộ thu dữ liệu tuyến

xuông gồm một diode PIN hoặc APD cùng bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA

(Transimpedance Amplifier) trong khôi nhận tín hiệu quang ROSA (Receive

Optical Sub-Assembly), một bộ khuếch đại giới hạn nhằm muc đích khuếch đại tín

hiệu điện sau khôi TIA tới giá trị đủ lớn để khôi khôi phuc dữ liệu CDR co thể khôi

phuc lại tín hiệu xung clock và dữ liệu được phát đi. Trong cả hai trường hợp của



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

Co 3 loại chip chạy chế độ burst-mode chính được xem như là thiết bị chủ chôt

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; đâu thu PIN và APD/TIA co độ nhạy thu cao và dải thông rộng

kết hợp với bộ tiền khuếch đại bên phía đâu thu; BM-CDR (Burst-mode Clock and

Data Recovery) với khả năng nhanh chong khôi phuc lại dòng dữ liệu nhận được.

Những chipset này trong mạng PON là thành phân quan trọng quyết định hiệu suất

và chất lượng hoạt động của hệ thông.

Với kiến trúc bộ thu-phát như hình 2.3, các khôi bộ thu-phát được nhom lại thành

2 khôi chính là khôi xư lý tín hiệu quang và khôi xư lý tín hiệu điện. Khôi xư 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 xư 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 xuông 1490 nm



(1550 nm) như hình 2.12. Khôi xư lý tín hiệu điện gồm các IC tương tự xư lý tín

hiệu đâu 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 khôi CDR và khôi chức năng truyền nhận tín hiệu dị bộ SerDes

(Serializer/Deserializer) với bộ vi xư lý PON MAC đang được thực hiện. Hình dưới

đây là sơ đồ khôi 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, hâu hết các vật liệu đều hấp thu ánh sáng hơn là

phát xạ ánh sáng. Quá trình hấp thu liên quan tới việc chuyển đổi mức năng lượng

từ trạng thái nền tới trạng thái kích thích của điện tư. Khi photon tới, điện tư sẽ hấp

thu năng lượng photon để chuyển mức năng lượng và quá trình hấp thu xảy ra. Quá

trình phát xạ là quá trình xảy ra hoàn toàn ngược lại, điện tư từ trạng thái kích thích

chuyển về trạng thái nền sẽ phát xạ ra photon co 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 tư 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 co một sự liên hệ về pha nào giữa chúng. Đôi với quá trình phát

xạ kích thích, tất cả các photon phát xạ đều co tính chất (về năng lượng , tân sô,

pha, hướng) tương tự như nhau. Hiện nay, 2 linh kiện phát quang chính được sư



dung là LED và laser; trong đo, 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 tư và lỗ trông được

tiêm vào vùng hoạt tính và tái hợp lại. Ngoài quá trình tái hợp phát xạ của cặp điện

tư-lỗ trông trong vùng hoạt tính tạo thành photon (ánh sáng), cặp điện tư- lỗ trông

co 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 tư-lỗ trông tạo thành động năng cho điện tư hoặc lỗ trông

khác mà không tạo thành photon. Quá trình tái hợp Auger đặc biệt xảy ra mạnh tại

vùng bước song từ 1,3μm tới 1,6μm do rào thế tại vùng hoạt tính khá nhỏ. Do LED

phát xạ tự phát nên no co phổ phát xạ khá rộng (30-60 nm) và goc phát xạ khá lớn.

Với một dòng tiêm I cho trước, tại trạng thái cân bằng, tôc độ tái hợp (phát xạ và

không phát xạ) của cặp điện tư lỗ trông là I/q. Hiệu suất lượng tư nội được quyết

định bởi sô lượng tái hợp phát xạ của cặp điện tư-lỗ trông tạo ra. Công suất quang

nội được cho bởi công thức :

[2.1]

Trong đo : là hiệu suất lượng tư nội, là năng lượng của photon phát xạ, q là

điện tích của điện tư.

Trong sô photon phát xạ chỉ co một phân thoát ra từ linh kiện được ghép vào sợi

quang. Bởi vậy, hiệu suất lượng tư ngoại đặc trưng cho phân photon thoát ra

khỏi cấu trúc được ghép vào sợi quang. Công suất phát xạ thực là :

[2.2]

Do goc 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 co thể lên

tới 10mW.



Hình 2.5-Đặc tính của LED : a)Đường cong P-I của LED tại một dải nhiệt độ

b) Phô phát xạ của LED 1.3μm

Một thông sô thường được sư dung để đánh giá đặc tính của LED là đáp ứng của

LED RLED được xác định bởi tỉ sô 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 co bề

rộng phổ lớn (∆λ≈ 50-60nm tính theo FWHM) nên tích sô BL của LED bị giới hạn.

Vì vậy, LED thường chỉ được sư dung trong các đường truyền tôc độ thấp và

khoảng cách gân (vài km).

Hạn chế thứ hai của LED là tôc độ điều chế. Tôc độ điều chế của LED phu thuộc

vào độ linh động hạt tải và giới hạn bởi thời gian sông 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 co thể sư dung cho

những ứng dung tôc 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



(~ 100nW) mà còn bởi khả năng ghép hiệu suất cao vào sợi quang. Laser co goc

phát xạ khá hẹp nên hiệu suất ghép vào sợi quang co thể cao hơn LED tới 50%;

đồng thời, laser co bề rộng phổ rất hẹp cho phép hoạt động ở tôc độ khá cao

(khoảng vài chuc Gb/s). Hơn nữa, laser bán dẫn co thể điều chế trực tiếp tại tân sô

rất cao (~ 25GHz) bởi thời gian sông của hạt tải khá ngăn 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 co thể xảy

ra hiệu ứng laser, thành phân hồi tiếp quang cân phải được thêm vào để biến đổi

tính chất khuêch đại vùng hoạt tính thành một buồng cộng hưởng. Tùy theo cấu trúc

của phân hồi tiếp quang mà laser được chia thành các loại khác nhau : Fabry-Perot

laser, DFB laser, …Trong mạng FTTH, 2 nguồn laser được sư dung 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 đo g là hệ sô khuêch đại của vùng hoạt tính, αint là hệ sô suy hao do tán xạ,

hấp thu trong buồng cộng hưởng, αmir là hệ sô suy hao do phản xạ và L là chiều dài

buồng cộng hưởng, m là chỉ sô mode.

Trong cấu trúc của DFB laser, thành phân hồi tiếp không nằm trên bề mặt của

laser mà phân phôi trong cấu trúc của buồng cộng hưởng. Điều này được thực hiện

thông qua một cấu trúc tuân hoàn biến thiên chiết suất. Sự hồi tiếp xảy ra qua hiện

tượng tán xạ Bragg do giao thoa của 2 song tới và song phản xạ. Hiện tượng lựa

chọn mode xảy ra trong DFB laser là kết quả của hiệu ứng Bragg. Bước song Bragg

trong cấu trúc thỏa mãn công thức :

[2.6]



Trong đo : Λ là chu kỳ biến thiên chiết suất, n là chỉ sô chiết suất trung bình và m là

bậc của tán xạ Bragg. Sự giao thoa xảy ra giữa song tới và song phản xạ xảy ra

mạnh nhất tại tán xạ Bragg bậc 1. Các laser DFB thường hoạt động tại bước song λB

= 1.5μm. Do tính chất chọn lọc mode, DFB laser co khả năng phát ra tín hiệu quang

đơn mode. DFB laser co hiệu suất cao với dải nhiệt độ rất rộng nên thiết bị này

được sư dung rộng rãi trong kiến trúc mạng PON đặc biệt là phía OLT. DFB laser

(không co bộ phận làm mát) thường co dòng ngưỡng thấp, dải nhiệt độ hoạt động

rất rộng, tỷ sô nén mode cạnh cao (thông thường là 40 dB) và đáp ứng nhanh ( 0.12

ns thời gian lên và xuông lấy trong khoảng biên độ từ 20-80%).

Hình 2.6-Cấu trúc của DFB laser

Khác với DFB laser, F-P laser sư dung 2 gương phản xạ nằm tại 2 cạnh của

buồng cộng hưởng nhằm muc đích phản xạ ánh sáng tạo thành vòng hồi tiếp. Hệ sô

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 sư dung nhằm muc đích hạ giá thành của các module

quang đặc biệt được sư dung bên phía ONU. Với hệ thông PON, công suất tín hiệu

quang phát đi từ phía ONU cũng yêu câu phải đạt được công suất cao (noi cách



khác là phía OLT chỉ cân sư dung bộ thu dùng diode PIN với giá thành và độ nhạy

thấp ) thì việc sư dung laser F-P cho phép phát tín hiệu co công suất cao hơn so với

việc sư dung laser DFB. Nhằm nâng cao công suất phát quang của laser phát cạnh,

thiết kế sư dung F-P laser cân được tôi ưu mà không cân sư dung 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 cân được tôi ưu nhằm muc đích nâng cao tôc

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 thông trên, laser VCSEL (Vertical Cavity Surface

Emitting Laser) là laser được sư dung rộng rãi hiện nay với khả năng phát tín hiệu

quang co bề rộng phổ khá hẹp. Do chiều dài buồng cộng hưởng của laser VCSEL

khá ngăn (khoảng 2÷ 5 μm) nên laser VCSEL co khả năng tích hợp khá hoàn hảo

với sợi quang đơn mode. Hình 2.9 dưới đây là hình ảnh laser VCSEL co rất nhiều

những lớp bán dẫn mỏng được nuôi trên cùng một đế. Vùng hoạt tính của laser

VCSEL bao gồm vài giêng lượng tư nằm kẹp giữa 2 gương cách tư phản xạ co hệ

sô phản xạ cao (> 99,5%) được tạo thành từ 10 ÷ 50 lớp bán dẫn với chỉ sô chiết

suất khác nhau. Ánh sáng phát xạ từ laser VCSEL co hướng phù hợp với mặt phăng

hoạt tính và co tia phát xạ hình tròn dễ dàng ghép với sợi quang đơn mode. VCSEL

co giá thành khá thấp so với các laser phát cạnh như DFB và DBR laser

(Distributed Bragg Reflector laser) do no co giá thành sản xuất, đong goi, hiệu

chỉnh và thư nghiệm khá thấp. VCSEL cũng được sản xuất thành các ma trận 1D



hoặc 2D để tôi ưu hoa khả năng đong goi và dải thông. Bởi vì thể tích buồng cộng

hưởng khá nhỏ, VCSEL co dòng ngưỡng khá thấp (dưới mA) ở nhiệt độ phòng.

Tiêu thu công suất của laser này cũng khá thấp. Những laser VCSEL co bước song

dài (1310nm hoặc1550 nm) được sư dung 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 sư dung 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 hâu hết các thiết bị thu quang, co 2 loại photodiode thường được sư dung

nhất là photodiode cấu trúc p-i-n và APD. Photodiode p-i-n thường được sư dung

nhất bởi độ tin cậy và hoạt động ổn định của no. Photodiode APD co cấu trúc

khuếch đại dòng quang làm tăng độ nhạy của thiết bị thu.

Photodiode p-i-n thông thường co 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



ngược đủ lớn đặt vào thiết bị để đảm bảo hoàn toàn co 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 co điện trở cao nhất dẫn đến hâu hết thiên áp

ngược được đặt trên no. 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 no sẽ kích thích một điện tư ở vùng hoa trị nhảy lên vùng dẫn tạo

thành một cặp điện tư-lỗ trông. Quá trình này xảy ra trong lớp i của bán dẫn; do

trường ngược đặt vào lớp i nên cặp điện tư-lỗ trông sẽ đi về 2 phía của 2 bản cực

tạo thành dòng quang.

Hình 2.11- Hình ảnh photodiode p-i-n

Bước song căt của photodiode được định nghĩa bởi công thức :

[2.8]

Trong đo, Eg là năng lượng vùng cấm của vật liệu, h là hằng sô Planck. Với bước

song dài hơn bước song λc thì năng lượng photon không đủ kích thích tạo thành cặp

điện tư-lỗ trông. Ngoài thông sô bước song căt, một thông sô khác rất quan trọng

của photodiode là đáp ứng R của no. Đáp ưng R đặc trưng cho khả năng chuyển đổi

công suất quang thành dòng điện của photodiode.

[2.9]

Trong đo η là hiệu suất lượng tư của photodiode, e là điện tích electron, υ là tân

sô của ánh sáng tới.



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, hâu 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 (gân tới

vùng đánh thủng lớp i) đặt tại vùng này. Khi cặp điện tư-lỗ trông được tạo ra, điện

trường này tăng tôc cho điện tư, lỗ trông tới mức năng lượng đủ để ion hoa các điện

tư xung quanh do va chạm với chúng. Như vậy, cặp điện tư-lỗ trông sinh ra sẽ tạo

ra thêm các cặp điện tư-lỗ trông 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 no

Trong photodiode APD, hệ sô khuếch đại dòng quang được định nghĩa bởi hệ sô

nhân M theo công thức :

[2.10]

Trong đo IM là dòng trung bình tại đâu ra, Ip là giá trị dòng quang khi chưa được

khuếch đại được tính toán.

Photodiode avalanche APD với độ nhạy cao thường được sư dung ở đâu thu tín

hiệu quang phía OLT bởi thiết bị ONU thường co công suất phát quang rất thấp

nhằm muc đích giảm giá thành. Khi APD được định thiên ở điện áp gân điện áp

đánh thủng, dòng quang được khuếch đại nên APD co độ nhạy quang rất cao so với

diode PIN. Thông thường, đâu thu InGaAs thường được sư dung nhờ co độ nhạy

cao trong dải bước song từ 1µm tới 1,6µm trong vùng hấp thu và cấu trúc InGaAs-



InP được sư dung với InP dùng cho vùng avalanche. Các diode APD điển hình

dùng cho các ứng dung GPON thường co đường kính vùng tích cực khoảng 35µm,

đáp ứng 0,9A/W ở bước song 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 sô 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 đong vỏ

là TO-CAN hoặc đong goi dựa trên cáp đồng truc. Kỹ thuật đong goi TO đang co

sự phát triển tích cực hiện nay cho các bộ thu và phát quang bởi no co giá thành

thấp, chiếm diện tích nhỏ và dễ dàng sư dung. Các module laser TO được sư dung

rộng rãi trong các bộ thu, phát và phát-đáp tôc độ cao trong các module SFF (Small

Form Factor).

Hình 2.14a thể hiện một DFB laser được đong goi theo công nghệ TO-CAN.

Thấu kính dạng giả câu được sư dung giúp nâng cao hệ sô ghép quang lên khoảng

65%. Photodiode PD điều khiển được bôc bay lên bề mặt sau của laser DFB nhằm

muc đích xác định công suất phát của laser để điều khiển laser giúp cho laser co

công suất phát ổn định khi nhiệt độ thay đổi. Một bộ cách ly quang được sư dung

nhằm muc đích giảm nhiễu do hồi tiếp quang gây ra. Kích thước và giá thành của

bộ cách ly quang được giảm bằng cách bôc bay no tại phía sau đâu vào tín hiệu trên



cáp quang mà tại đo đường kính của tia sáng phát ra từ DFB laser được giảm tới

mức tôi 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 co đường kính vùng tích cực lớn

nên no co hệ sô ghép khá cao (co thể đạt tới 100%) và dễ dàng điều chỉnh hơn rất

nhiều so với laser diode.

Hình 2.14-DFB và APD đong goi theo cấu trúc TO-CAN

2.2.2.3.Bộ ghép WDM

Một thiết bị quang rất quan trọng được sư dung trong mạng PON là bộ ghép

WDM được thể hiện như trong sơ đồ khôi. Vai trò chính của no là tách dòng tín

hiệu lên và xuông trong hệ thông PON. Thông thường, các bộ lọc WDM được lăng

đọng lên trên một đế như phiến thủy tinh sau đo được căt thành các chip hình vuông

với tiết diện khoảng vài mm và được bôc bay lên OSA (Optical Sub-Assembly).

Trong công nghệ mới này, bộ lọc WDM được lăng đọng lên trên bề mặt của sợi

quang đã được đánh bong với goc nghiêng khoảng 300 nhằm muc đích giảm kích

thước của WDM. Theo cách này, WDM vôn chiếm vai trò chính trong giá thành

của OSA được tích hợp một cách đơn giản qua quá trình xư lý sợi quang trong việc

đong goi. 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. No cho phép hệ sô cách ly lên tới

20 dB giữa 2 vùng phổ tín hiệu tuyến lên và xuông với bước song lớn nhất tại tuyến

lên là 1360nm và bước song nhỏ nhất tại tuyến xuông là 1480nm. Hơn nữa, nhằm

muc đích giảm nhiễu xuyên kênh từ bộ phát với bước song 1310nm và đạt được hệ

sô cách ly cao giữa tín hiệu sô và tín hiệu video tuyến xuông ở bước song 1550nm (

yêu câu thông thường là 40 dB hoặc cao hơn) thì bộ lọc thông dải với dải thông từ

bước song 1480nm tới 1550nm cân được đặt trước PD cùng bộ lọc ở phía cuôi cáp

quang.

Hình 2.15-Đặc điểm phô 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 tâng 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.

Hình 2.16–Kiến trúc tầng tiền khuếch đại



Như đã noi ở trên, thông thường các bộ thu tín hiệu quang là các photo-diode PIN

hoặc APD đều co cấu trúc là tiếp giáp p-i-n. Để nhằm muc đích nâng cao tôc độ đáp

ứng và giảm tạp âm nhiễu, các photo-diode này thường được phân cực ngược. Vì

vậy, nhìn ở phía đâu vào, bộ thu được xem như một bộ lọc R-C co dải thông là :

[2.11]

Đôi với mạch tiền khuếch đại hình 2.16a là mạch tiền khuếch đại trở kháng thấp.

Mạch này co điện trở R nôi tiếp với photo-diode nhỏ nên co dải thông rộng nhưng

co 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 co độ

nhạy thu khá cao nhưng lại co dải thông bị hạn chế bởi điện trở R nôi tiếp lớn.

Trong 3 kiến trúc trên, kiến trúc bộ tiền khuếch đại truyền trở kháng hình 2.16b

được sư dung nhiều nhất bởi no cải thiện được cả 2 vấn đề trên. Nhìn từ phía đâu

vào, mạch TIA co điện trở Rin là điện trở vào của tâng khuếch đại nên co giá trị rất

lớn. Vì vậy, no co độ nhạy thu khá cao đồng thời việc sư dung vòng hồi tiếp âm

trên tâng khuếch đại làm nâng cao dải thông của mạch.

Do đo, trong hâu hết các kiến trúc transceiver của FTTH, khôi thu ROSA đều sư

dung 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,…

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 nhom nghiên cứu do nhu câu 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 co những đặc điểm riêng biệt để phù hợp với yêu câu mong

muôn. Mặc dù được sư dung rất rộng rãi nhưng hiện này vẫn chưa co một văn bản

liên quan tới thiết bị này xác định rõ những ứng dung của chúng. Thông thường,

các nhà cung cấp module quang liên kết với các hãng cung cấp hệ thông PON để

xác định yêu câu thiết kế cơ bản trong từng trường hợp cu thể.

Nhằm muc đích tương thích với các mạng EPON và GPON cùng với khả năng sư

dung lại, các module thu-phát được chia thành các khôi : khôi xư lý tín hiệu 2 chiều



BOSA, khôi xư lý tín hiệu điện ESA (Electrical Sub-Assembly) và khôi điều khiển

nhiệt độ. Trong đo, khôi BOSA bảo đảm công suất phát tín hiệu và độ nhạy thu;

khôi 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 cân được bảo đảm chặt chẽ.

Hình 2.17 dưới đây là một ví du cơ bản gồm sơ đồ khôi và hình ảnh của module

thu-phát dạng diplexer được sư dung trong mạng PON thiết kế cho ONU. Module

này được căm trên một đâu nôi dạng 2x5 hoặc 2x7 chân nhằm muc đích kết nôi với

mạch chủ và được cấp nguồn 3.3 V± 5%. Module bao gồm một đâu nôi 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, đâu thu quang PD, IC

khuếch đại biến đổi trở kháng TIA ở phía thu hoặc một laser F-P cùng một đâu thu

PD điều khiển công suất ở phía phát. Bộ ghép WDM sẽ ghép tín hiệu quang đâu thu

và phát lên trên cùng một sợi quang. Ngoài ra, OSA co thể sư dung 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 thu khoảng 0,8W.

Hình 2.18 là hình ảnh và sơ đồ khôi của một module thu-phát dạng triplexer dùng

cho ONU. Tùy theo yêu câu lăp đặt mà kích thước của module này được hạn chế

trong kích thước từ 8,5mm hoặc thấp hơn. Đâu nôi LC hoặc SC được sư dung phu

thuộc vào từng trường hợp cu thể.



Hình 2.17-Module thu-phát 2 chiều dạng diplexer

Hình 2.18–Module thu phát 2 chiều dạng triplexer



2.2.4. Bộ thu-phát chế độ burst-mode

Hệ thông PON yêu câu sư dung 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 sư dung tới trung tâm). Điều đo là rất cân thiết cho mạng PON bởi trong

mạng PON co rất nhiều người sư dung chia sẻ một đường truyền cáp quang thông

qua kỹ thuật đa truy nhập TDMA nên tín hiệu nhận được của các goi dữ liệu trong

các khe thời gian từ nhiều người dùng khác nhau co 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 co thể co sự chênh lệch tới

20 dB về biên độ( cân phải chú ý rằng, điều này không xảy ra với tín hiệu phát từ

OLT tới ONU bởi tuyến truyền dẫn này là đường truyền điểm-điểm). Bởi vậy, nếu

sư dung đâu thu và phát tín hiệu quang thông thường sẽ không thể thu được một

cách chính xác dữ liệu trong các goi được truyền đi do sự khác biệt về biên độ tín

hiệu này. Để khăc phuc vấn đề này, mạng PON sư dung bộ thu-phát chạy chế độ

burst-mode với đâu thu burst-mode ở phía OLT (co khả năng thay đổi ngưỡng xác

định mức logic theo tín hiệu đâu vào cùng việc tự động xác định pha dựa vào những

bit đâu tiên của goi tín hiệu burst nhận được) và đâu phát burst-mode ở phía ONU.

Các bộ thu-phát chế độ burst-mode này được tích hợp trên một IC sư dung công

nghệ CMOS co giá thành và công suất tiêu thu 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 sư dung trong thông tin sô. Hình 2.19a

là tín hiệu truyền liên tuc thông thường. Chuỗi bit dữ liệu nhị phân được truyền đi

một cách liên tuc với tỉ sô phân biệt giữa bit 0 và 1 cùng tân sô xung nhịp nằm

trong giới hạn cho phép. Ví du dưới đây là mã đường truyền 8B10B và 64B66B

thường được sư dung trong các ứng dung truyền dữ liệu điểm-điểm như hệ thông

gigabit và 10-gigabit Ethernet. Hình 2.19b là tín hiệu burst-mode được truyền đi

mà trong đo tỉ sô phân biệt và tôc độ truyền dữ liệu không bị giới hạn chặt chẽ.

Chuỗi bit này co biên độ giông nhau cho cùng một ký tự giông nhau được truyền đi.

Hình 2.19c thể hiện biên độ của tín hiệu co thể thay đổi giữa các goi tín hiệu burst

khác nhau và khoảng thời gian bảo vệ cũng thay đổi theo các goi 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 vu của bộ thu chế độ burst-mode là khôi phuc 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 dung truyền dữ liệu

chế độ liên tuc thường sư dung các mạch ghép AC. Mạch ghép AC co thể cung cấp

độ nhạy cao và dễ sư dung. Tuy nhiên, do thời gian tích tu và xả đi điện tích của tu

điện nôi với đường tín hiệu trong mạch ghép AC nên tôc 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

tôc độ cao hơn.

Hình 2.19–Dạng dữ liệu truyền đi trong thông tin số

Hoạt động của bộ thu chế độ burst-mode co 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 ngăn. Sự thay đổi thứ hai trong bộ thu burst-mode

là mạch khôi phuc dữ liệu và xung clock phải hoạt động ở tôc độ cao (trong khoảng

thời gian cỡ nanosecond) và thay đổi nhanh chong chỉ trong khoảng thời gian của

một phân nhỏ goi 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 khôi chính : laser diode

nằm trong khôi TOSA hoặc BOSA như hình vẽ 2.3 ở trên và IC điều khiển laser

diode (LDD) cung cấp điện áp DC yêu câu và dòng điều chế cho laser diode. IC



điều khiển laser diode này phải co công suất tiêu thu rất thấp nên no co thể được

cung cấp nguồn pin dự phòng trong trường hợp thiếu năng lượng cung cấp. Ngoài

ra, IC này phải co giá thành thấp và chạy ổn định trong khoảng nhiệt độ rộng do bộ

thu co 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 câu 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 tôi

thiểu trong khoảng từ 1mA tới 160mA với thời gian lên và xuông của tín hiệu dưới

nano-giây. Dòng phân cực trong thời gian mở cưa cung cấp cho BM-LDD ngăn

chặn việc laser diode phát xạ ảnh hưởng tới công suất phát của các nguồn tín hiệu

bên cạnh suôt khoảng thời gian no 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 đâu

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 no không truyền đi dữ liệu phải nhỏ hơn

từ 25-30 dB so với công suất laser phát xạ lúc no truyền dữ liệu. Để co thể giảm

thời gian chuyển mạch giữa 2 trạng thái bật và tăt của laser diode, dòng điều chế

của laser không hoàn toàn bị tăt khi no 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 gân với dòng

ngưỡng của no và theo cách này, tỉ sô 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 sô phân biệt mức công suất mong muôn, ngược lại nếu

công suất phát thấp co thể đẩy laser vào chế độ phát xạ tự phát gây ra nhiễu trong

việc điều chế thông tin.

BM-LDD yêu câu 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 co tỉ sô

phân biệt mức công suất ổn định trong một dải nhiệt độ rộng (từ -400C 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 phu thuộc vào dòng điều khiển, ngưỡng

và hệ sô nhiệt độ của laser; những tham sô này phu 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 sô

phân biệt mức công suất vào nhiệt độ, một mạch điều khiển công suất tôc độ cao

APC (Auto Power Control) cân phải được sư dung. 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 goi 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 gân dưới ngưỡng. Khi laser ở trạng

thái hoạt động để truyền đi các goi 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

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 muôn. 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 khôi của một IC laser driver điển hình. Tín hiệu đâu vào

được sư dung 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 khôi TODC trước khi

điều khiển laser diode ở tâng điều khiển laser LDS (Laser Driver Stage). Vì vậy, no

co khả năng bù nhiễu do thời gian trễ khi chuyển sang trạng thái “on” của laser

diode và sau đo hoạt động không cân 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. Khôi xư lý sô

DIG điều khiển dòng ở trạng thái “on” của tâng 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 tâng LDS trong 2 trường hợp : hoạt động ở chế

độ liên tuc và chế độ burst-mode . Mạch LDS hoạt động dưới chế độ liên tuc được

thiết kế như hình 2.22a nhằm muc đích giữ cho dòng phân cực cho laser ổn định; từ

đo, công suất phát quang cũng giữ giá trị ổn định trong vùng hoạt động. Điều đo

cho thấy mạch LDS này không cân thiết phải thay đổi dòng phân cực một cách

nhanh chong nên hâu hết các mạch điều khiển laser chế độ liên tuc không co khả

năng điều khiển ở chế độ burst-mode . Tuy nhiên, LDS cũng co khả năng sư dung

cho việc điều chế tín hiệu quang của laser diode dưới tôc độ dữ liệu mong muôn co

khả năng hoạt động nhanh với tôc độ điển hình lên tới Gbps. Các mạch tương tự co

thể được sư dung để điều chế dòng phân cực với tôc độ tương tự. Như thấy được ở

hình 2.22, mạch điều khiển laser được thiết kế với thời gian Ton và Toff rất ngăn

(trong khoảng vài ns). Từ điểm này co thể thấy mạch điều khiển laser chế độ burst-

mode không cân thiết phải xây dựng mạch phức tạp hơn so với mạch điều khiển

laser chế độ liên tuc.

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



Hình 2.22–So sánh giữa mạch LDS trong 2 chế độ liên tuc 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 đâu tiên (sơ đồ trên),

bộ biến đổi I/V dải rộng và mạch xác định đỉnh được sư dung; chúng thường tiêu

thu công suất khá cao. Do đo, 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 đâu 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 thu công suất ít hơn và giảm sai sot gây ra bởi thời gian hoạt động giới

hạn của mạch xác định đỉnh. Mạch APC này co thể hoạt động theo từng goi tín hiệu

burst hoặc theo từng bit dữ liệu và không cân thiết phải sư dung những mạch co tôc

độ xư lý cao, tiêu thu công suất lớn. Trong suôt chuỗi dữ liệu burst đâu tiên, điện

dung của photodiode Cpd được tích tu tới giá trị xác định. Sau đo, trong suôt quá

trình truyền dữ liệu burst tu điện này được tích tu 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 cuôi của dòng dữ liệu burst, điện áp trên tu điện sẽ được sẽ được so sánh với

điện áp tích tu ban đâu bởi khôi so sánh để phát ra xung clock. Tùy thuộc vào tín

hiệu đâu ra, một bộ đếm sẽ điều khiển công suất ra của laser lên cao hoặc xuông

thấp theo từng bước xác định. Do mức công suất của tín hiệu được lựa chọn bởi bộ

đếm lên hoặc xuông nên thời gian giữ của mạch này là vô hạn; nhờ đo đã khăc phuc

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 co đáp ứng chậm hơn. Mặc dù thời gian đáp ứng

của phương pháp này chậm hơn nhưng no 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

sông của laser. Ngay sau khi hệ thông được bật lên, một vài goi 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 muôn. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra trong lân đâu tiên ONU được bật

lên và co thể khăc phuc bằng cách phát đi một chuỗi ngăn các goi burst thăm dò

nhằm muc đích điều chỉnh giá trị của bộ đếm trong suôt thời gian ONU được bật

lên từ pin dự phòng và giá trị của bộ đếm vẫn còn tham gia vào hệ thông.

Hình ảnh của tín hiệu quang và định thời của BM-Tx cho mang EPON được thể

hiện như hình 2.24 trong đo là các mẫu măt, goi dữ liệu burst, mẫu tín hiệu laser ở

chế độ burst “on” và “off”. Mẫu măt 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.



Hình 2.24–Tín hiệu định thời và mẫu mắt của BM-Tx mạng EPON

Hình 2.25 là một ví du mẫu măt đo được trong dải nhiệt độ rộng từ -400C tới

800C. Do tác dung của mạch APC, laser co công suất phát ổn định trong khoảng

25% cạnh măt và tỉ sô phân biệt mức công suất ổn định trên 10dB. Do tôc độ đáp

ứng nhanh của các IC điều khiển laser chế độ burst-mode co tôc độ từ 155Mbps

đến 1,25Gbps nên các IC này được sư dung phổ biến trong các mạng EPON, GPON

và BPON. Các mạch điều khiển laser co thể điều khiển một cách độc lập dòng phân

cực và điều chế thông qua vòng lặp APC nhằm muc 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 co 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 tuc 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 co độ nhạy cao, dải động rộng

và đáp ứng nhanh. Độ nhạy của đâu 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 sô chia trong mạng PON tức là sẽ co gấp đôi sô người dùng được chia sẻ

trong cùng một mạng. Dải động là tham sô cân phải quan tâm vì no ảnh hưởng tới

độ dài mạng được lăp đặt cho phép sư dung chung giữa người dùng ở gân hoặc xa

bộ chia quang trong mạng.

Yêu câu đặt ra cho bộ thu tín hiệu burst-mode là khả năng nhanh chong khôi phuc

lại mức logic của các chuỗi burst riêng biệt. Nguyên tăc cơ bản là sư dung các mạch

ghép DC để nhanh chong đo được mức tín hiệu tới từ dòng dữ liệu đến rồi nhanh

chong 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 sư

dung. Tín hiệu nhận được sẽ được khuếch đại rồi chia thành 2 nhánh. Nhánh đâu

tiên từ đâu 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 goi nhận được. Từ đâu ra của bộ xác định đỉnh,

mức ngưỡng thích hợp được lựa chọn thích nghi ở phía trước bộ khuếch đại vi sai.



Tại đâu ra của bộ khuếch đại vi sai, biên độ tín hiệu thu được từ các goi dữ liệu

được khôi phuc và xư lý tiếp tuc.

Trong cấu trúc hồi tiếp phía sau, biên độ tín hiệu sẽ được khôi phuc tại tâng 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. Đâu ra của tâng tiền khuếch đại sẽ được ghép DC với các tâng 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 câu 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 sư

dung nhưng cân được thiết kế một cách kỹ lưỡng để tránh xảy ra tự kích gây ra dao

động trong mạch.

Bộ thu quang còn co thể được phân loại dựa vào cách xác định ngưỡng của no.

Cách đặt ngưỡng đâu tiên là đâu thu xác định ngưỡng thích nghi dựa vào tín hiệu

quang thu ở đâu vào. Do đo, phương pháp này gọi là phương pháp tự động điều

khiển ngưỡng ATC (Auto Threshold Control). Cách đặt ngưỡng thứ hai là đâu thu

xác định ngưỡng hoàn toàn dựa vào trường “preamble” trong goi dữ liệu thông qua

kỹ thuật tự động điều khiển hệ sô khuếch đại AGC và giữ giá trị là hằng sô trong

trường “payload”.



Hình 2.26–Cấu trúc bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode

Hình 2.27 thể hiện sơ đồ khôi của một IC khuếch đại chế độ burst-mode bao gồm

bộ khuếch đại giới hạn, đệm tín hiệu đâu ra và mạch ATC. IC này hoạt động do 1

nguồn +3.3V cung cấp. Mạch ATC gồm co : mạch xác định ngưỡng, mạch hồi tiếp

DC, mạch chia đôi và mạch “reset”. Như đã thấy đáp ứng của mạch ATC trong

hình 2.27, mạch xác định ngưỡng khi nhận được mức logic “1” ở đâu 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 xoa tín hiệu đâu ra của mạch xác định ngưỡng, mạch

“reset” nhanh chong xả điện tích thông qua tu điện giữ mức đỉnh cùng với tín hiệu

“reset” được gưi tới. Như vậy, rõ ràng mạch ATC là mạch xác định đỉnh co độ

chính xác cao với đáp ứng nhanh và độ nhạy cao.

Bộ thu chế độ burst-mode yêu câu khả năng hoạt động dưới một dải động rất

rộng, đáp ứng nhanh băt đâu từ bit tín hiệu đâu tiên của goi dữ liệu đưa tới và xác

định được tín hiệu với tỉ sô phân biệt rất thấp. Để co thể hoạt động đạt được những

yêu câu trên, mạch tiền khuếch đại cân phải tự điều chỉnh hệ sô khuếch đại theo

từng burst tức là hệ sô khuếch đại lớn cho tín hiệu nhỏ và hệ sô khuếch đại nhỏ cho

tín hiệu lớn. Trong cùng một thời điểm, mạch tiền khuếch đại burst-mode phải co

thể phân biệt được mức tín hiệu co hệ sô phân biệt thấp với độ nhạy cao.

Nếu đâu vào là tín hiệu lớn nhưng co hệ sô phân biệt thấp tới mạch tiền khuếch

đại AGC thông thường, dạng tín hiệu đâu ra sẽ bị phân cực lớn như hình 2.28a.

Biên độ tín hiệu ra sẽ bị hạn chế làm cho đâu thu kho co thể phân biệt được mức

logic “0” và “1” một cách phù hợp. Nhằm giải quyết vấn đề về sự hạn chế của tỉ sô

phân biệt mức tín hiệu đâu ra, một khôi AGC co khả năng điều khiển khuếch đại

biến đổi trở kháng cân được thêm vào từng tâng trong mạch phu thuộc vào biên độ

tín hiệu đâu vào. Hình 2.28b là đáp ứng của khôi AGC này cho tín hiệu burst co tỉ

sô 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 sô khuếch đại

cao hơn so với trường hợp tín hiệu lớn. Để bảo đảm khuếch đại trong cùng một

tâng, mức logic “0” không thể lớn bằng mức logic “0” trong các bộ tiền khuếch đại

thông thường. Nhờ vậy, mạch này co khả năng phân biệt mức logic “0” và “1” một

cách thích hợp, cho phép đâu thu khôi phuc lại tín hiệu burst với tỉ sô phân biệt

thấp.



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 nôi song song với

điện trở hồi tiếp. Hình 2.29b là đáp ứng của từng khôi với tín hiệu burst ở đâu vào.

BLD nhanh chong xác định mức nền của tín hiệu sau tâng 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 suôt quá trình hoạt động của tâng này

để đưa tới điện áp cực cổng của FET (FET được nôi song song với điện trở hồi tiếp

nhằm muc đích giảm trở kháng hồi tiếp). Khi dòng đâu vào IC tăng (do công suất



tín hiệu quang tới cao), điện áp cực cổng của FET tăng làm giảm biến đổi trở

kháng. Vì thế biến đổi trở kháng phu thuộc vào dòng điện đâu vào. Khi tín hiệu

trong tâng thay đổi, một tín hiệu “reset” được phát ra tới BLD, đâu ra của mạch

GCC và mạch khuếch đại biến đổi trở kháng để chúng trở về trạng thái ban đâu. Kết

quả là tâng khuếch đại co dải động lớn mặc dù với tín hiệu co tỉ sô 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 noi đến ở trên đều được ghép trực tiếp giữa các tâng giúp

cho chúng co đáp ứng nhanh và giảm sai sot 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. Co thể lấy ví du trong mạng GPON tôc độ dữ liệu 1,244Gbps với 32 bit bảo vệ

(25,6ns) được chỉ định cho thời gian laser bật và tăt, 44 bit trong trường “preamble”

(35,4ns) tại đâu mỗi goi burst chỉ định cho việc điều khiển khuếch đại và phuc hồi

xung clock. Như đã biết trong mạng EPON, bộ thu co thời gian khởi động lên tới

400ns cho phép sư dung mạch ghép AC cho những ứng dung co thời gian đủ ngăn

cho phép. Khi mạch ghép AC được ứng dung cho những mạch co hằng sô thời gian

nhỏ làm cho mạch co đáp ứng rất nhanh với tín hiệu đâu vào. Hình 2.30 thể hiện sơ

đồ khôi của 2 mạch thu quang chế độ burst-mode ghép AC và ghép DC. Trong

hình 2.30, mạch ghép AC gồm 1 tu ngăn cách giữa 2 tâng liên tiếp, mạch tiền

khuếch đại tại đâu ra đã được phôi hợp trở kháng và mạch khuếch đại giới hạn phôi

hợp trở kháng đâu vào.



Hình 2.30–So sánh giữa đầu thu sư dung mạch ghép AC và DC

Tom lại, kiến trúc transceiver của mạng FTTH sư dung chế độ truyền burst-mode

đã đẩy nhanh tôc độ truyền nhận dữ liệu. Thông qua việc thiết kế chi tiết các mạch

điều khiển laser, sư dung ghép tâng trực tiếp DC, mạch xác định tín hiệu thích nghi,

… ; mạng FTTH co thể co tôc độ truyền nhận dữ liệu gấp nhiều lân kiến trúc

transceiver thông thường. Công nghệ mạch tổ hợp sẽ tiếp tuc giúp tăng tôc độ của

kiến trúc này.



Chương III : MẠCH PHÁT VA LAM SẮC XUNG CỰC NGẮN

Hiện nay, khi mạng FTTH đang ngày càng đẩy nhanh tôc độ truyền tải dữ liệu

(từ 1,25Gbps lên tới 10Gbps), việc tạo và làm săc xung co sườn khoảng vài trăm ps

là vấn đề tất yếu xảy ra. Bên cạnh đo, hâu hết các linh kiện phát quang là LED và

laser đều bị hạn chế tôc độ bởi thời gian sông của hạt tải dẫn tới việc kéo dài sườn

xuông của xung quang. Điều này đã dẫn tới vấn đề cân phải thiết kế một máy phát

xung cực ngăn co sườn lên và xuông tâm cỡ từ vài chuc tới vài trăm pico giây. Co

rất nhiều giải pháp được đưa ra giải quyết vấn đề này như sư dung chuyển mạch

quang dẫn, sư dung đường truyền phi tuyến NTLT hoặc sư dung diode SRD,…

Trong đo, máy phát xung sư dung diode SRD là một giải pháp đơn giản co giá

thành thấp nhất thỏa mãn được nhu câu cân thiết này. Trong luận văn này, vấn đề

trên đã được giải quyết bằng cách sư dung máy phát xung SRD với khả năng điều

chỉnh độ rộng xung dùng đường dây trễ ngăn mạch.

3.1. Step-recovery-time diode (SRD)

Diode SRD được tạo nên bằng cấu trúc gồm 2 chuyển tiếp p-i-n co 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 no trở thành một ứng dung rộng rãi trong các

chuyển mạch tôc 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 chong trở

kháng của no phu thuộc vào lượng điện tích tích tu trong no. Quá trình tích tu điện

tích xảy ra là kết quả của việc tái hợp những hạt tải thiểu sô 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 tu

tại tiếp giáp của no được xả hết. Ngay tại thời điểm phong 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 no. Quá trình biến đổi trở kháng này xảy ra trong



khoảng thời gian ngăn hơn 1ns. Vì vậy, SRD được dùng trong những ứng dung phát

xung co sườn cực ngăn (khoảng vài chuc pico giây) hoặc sưa dạng những xung co

sườn biến đổi chậm.

Hình 3.1-Hình ảnh SRD diode

Điện tích tích tu dưới điện áp phân cực thuận được tính toán bằng cách giải

phương trình phân bô điện tích :

với Q>0 [3.1]

Trong đo i(t) là dòng điện tức thời chạy qua diode, Q là lượng điện tích tích tu trong

chuyển tiếp và τ là thời gian sông của hạt tải thiểu sô của diode. Trong trường hợp

dòng tích tu không thay đổi, điện tích tích tu được cho bởi công thức :

[3.2]

Trong đo QF là điện tích tích tu 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 :

[3.3]

Trong đo : tS là khoảng thời gian cân thiết để xả hết điện tích tích tu bởi dòng IF

bằng dòng phân cực ngược IR.

3.1.2.Đặc tính thực tế của SRD

Với diode SRD trong thực tế, cân phải kể tới sự xuất hiện của các thông sô ký

sinh khi đong vỏ. Điều đo được thể hiện thông qua sự khác biệt giữa dạng song tín



hiệu ra của diode lý tưởng và diode thực tế như hình 3.2. Để mô hình hoa đặc tính

động thực tế của diode SRD, mạch tương đương được thể hiện như hình 3.3.

Thông sô ký sinh đâu tiên ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện trở động của diode gây

ra sự sut đỉnh của tín hiệu ra trên diode dưới điều kiện phân cực thuận :

[3.4]

Trong đo VF là điện áp sut trên diode, là rào thế của chuyển tiếp (0,7÷0,8V) và RS

là điện trở động của diode. Điện áp sut được thể hiện rõ trên hình 3.2 ở dạng tín

hiệu ra trước mạch sưa 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



Thông sô ký sinh thứ hai ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện cảm ký sinh của diode

(do quá trình đong 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 :

[3.5]

Trong đo : VL là điện áp cực đại của các đỉnh xung nhọn, LP là điện cảm đong vỏ.

Giá trị của các đỉnh xung nhọn này sẽ giảm đi bằng cách sư dung những phương

pháp đong vỏ co thông sô ký sinh thấp hơn. Trong luận văn này sư dung diode

SMMD840 co điện cảm đong vỏ khoảng 2nH. Các thông sô này được cho bởi

datasheet trong phân phu luc.

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 phân dòng phân cực ngược chạy qua

điện trở động RS của diode trong suôt quá trình tích tu của diode. Điện áp này được

xác định bởi :

[3.6]

Trong đo VP là điện áp dâng mức nền. Thông thường, giá trị của điện áp này rất nhỏ

khoảng 0,16V. Hiện tượng này co thể bỏ qua đôi với mạch chỉnh dạng xung co biên

độ lớn.

Thông sô ký sinh cuôi cùng gây ảnh hưởng tới tín hiệu ra là điện dung ký sinh CP

của quá trình đong 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 co thể khăc phuc

bằng cách chọn lựa SRD co thông sô đong 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 no trong mạch. Thông sô này phu thuộc vào việc thiết kế diode,

mạch ngoài và mật độ điện tích tích tu trong diode. Thời gian lên của diode là sự

kết hợp của 2 thành phân xác định theo công thức :

[3.7]



Trong đo tt là thời gian lên của diode do quá trinh nội tại trong no (thông sô này

được cho bởi nhà sản xuất; trong luận văn này sư dung diode co tt là 70ps) và tRC là

thời gian lên của mạch điều khiển diode phu thuộc vào điện dung phân cực ngược

của diode CVR ( gồm điện dung tiếp giáp Cj song song với điện dung đong 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 đo Req là điện trở tương đương của điện trở của nguồn măc 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 sư dung SRD thông thường chỉ co thể sưa dạng xung hoặc phát

xung co một sườn nhanh mà không thể thay đổi độ rộng của xung. Để co thể tạo ra

xung co độ rộng thay đổi được, mạch sư dung phương pháp như hình 3.4.

Hình 3.4-Mạch nguyên lý

Trong hình trên, mạch gồm nguồn phát tín hiệu co trở kháng 50Ω. Nguồn phát co

thể phát xung hình sin hoặc xung vuông. Mạch gồm diode SRD, đường dây trễ co

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 sư dung máy phát

xung 2 cực tính (hoặc co thể sư dung máy phát tín hiệu hình sin). Tại nưa chu kỳ



đâu, SRD phân cực thuận, điện tích được tích tu tại SRD và lúc này chưa co điện áp

ra trên tải. Dòng phân cực thuận IF sẽ tích tu điện tích tại lớp I của chuyển tiếp p-i-n

trong khoảng thời gian tF. Tại nưa chu kỳ sau, điện áp đặt vào SRD chuyển xuông

âm, SRD phân cực ngược. Ngay tức thời, SRD xả hết điện tích tích tu ra đường

truyền tạo ra xung co 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 nôi tiếp giữa đường truyền

và đường dây ngăn mạch Ld : một xung truyền dọc theo đường truyền chính nôi tiếp

tải tới cưa ra, một xung truyền dọc theo đường truyền ngăn mạch.

Theo nguyên lý đường truyền siêu cao tân, hệ sô phản xạ của một đường truyền

ngăn mạch là :

[3.10]



Từ công thức 3.10 co thể thấy được xung phản xạ từ đường truyền ngăn mạch co

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 ngăn mạch co vai trò như một đường trễ với

khoảng thời gian trễ giữa 2 xung truyền trên đường truyền chính là :

[3.11]

Trong đo vp là vận tôc truyền song trên đường truyền ngăn mạch được tính theo

công thức 3.12

[3.12]

Trong đo ε là hằng sô điện môi của môi trường truyền song.

Hình 3.6 là hình ảnh 2 xung truyền trên đường truyền chính kết hợp lại tạo thành

một xung co sườn lên và xuông bằng thời gian chuyển tiếp giữa 2 trạng thái của

diode SRD; độ rộng xung bằng chính thời gian trễ truyền song tdelay trên đường

truyền ngăn mạch (tại sau điểm nôi giữa đường truyền chính và đường truyền ngăn

mạch). Xung phản xạ co cực tính ngược với xung phát ra và co biên độ thấp hơn

xung truyền thăng do suy hao trên đường truyền ngăn mạch.

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



3.2.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn

Để co thể tạo ra xung co độ rộng thay đổi được, đường dây trễ sư dung trong

mạch thiết kế dùng cáp semi-rigid để tạo thành đường truyền phản xạ co thể thay

đổi được chiều dài.

Do xung yêu câu thiết kế co độ rộng khoảng vài ns đồng thời co sườn dôc (vài

trăm ps) nên tất cả linh kiện sư dung đều co dải thông rộng đồng thời sư dung linh

kiện lăp ráp bề mặt. Mạch in thiết kế sư dung đường truyền microstrip trên đế điện

môi CGP-500 BF-6012 co dải thông tới 18GHz (chi tiết xem phân phu luc). Cáp

semi-rigid dùng làm đường truyền ngăn mạch cũng co dải thông khoảng 18GHz,

các đâu nôi tới máy phát xung 2 cực tính (máy phát tín hiệu hình sin) và cổng ra

đều sư dung connector SMA. Diode SRD sư dung trong mạch SMMD840 (dạng 2

chân) co thời gian sông của hạt tải thiểu sô là T = 10ns cho phép máy phát xung co

tân sô nhịp lên tới 100MHz, sườn xung tạo ra co thời gian lên và xuông khoảng

70ps (thông sô này thể hiện thời gian chuyển trạng thái của SRD thường được hãng

sản xuất cung cấp). Diode Schottky sư dung trong mạch là diode HSMS8101 co

điện áp ngưỡng khoảng 0,35V (cân chọn điện áp ngưỡng của Schottky càng thấp

càng tôt ta sẽ được lợi về biên độ xung đâu ra do sut áp trên Schottky).

Sơ đồ mạch thiết kế :

Hình 3.7-Mạch phát và làm sắc xung cực ngắn



Trong sơ đồ trên, connector SMA đâu vào được nôi với máy phát xung 2 cực tính

hoặc máy phát xung hình sin co tân sô 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. Tu C1 là

tu ngăn tâng giữa tâng ra và tâng vào mạch. Diode Schottky được nôi tiếp sau SRD

và đường dây trễ nhằm muc đích căt đi những xung nhọn âm (do quá trình cộng 2

xung) tạo dạng cho xung ở ngõ ra trên tải. Điện áp Vbias được sư dung sau tu C1 để

tạo điện áp phân cực cho xung tín hiệu đâu ra. Như đã trình bày ở trên, khi phát

laser điện áp đặt trên no phải vượt qua giá trị ngưỡng Vthreshold thì laser mới phát

xung quang. Vì vậy, tại đâu ra đặt Vbias gân tới Vthreshold nhằm muc đích giảm thời

gian trễ khi phát xung quang tại tâng driver phía sau. Tu C2 được dùng để lọc tín

hiệu 1 chiều phân cực cho mạch, điện trở R1 và L1 măc nôi tiếp với Vbias tạo điện

áp phân cực. Điện cảm L1 được dùng để chặn tín hiệu cao tân dội ngược về phía

nguồn 1 chiều. Cổng ra sư dung connector SMA để nôi trực tiếp tới tâng điều khiển

laser.

Trong thiết kế mạch ta chọn ZL>> Z0 = 50Ω thì càng tôt giảm tín hiệu cao tân

phản xạ ngược về nguồn nên tại tân sô 10GHz, ZL chọn khoảng vài chuc kΩ trở lên

hay noi cách khác L ta chọn khoảng vài chuc µH. Tu C1 làm nhiệm vu ngăn cách

tín hiệu một chiều giữa tâng vào và ra nằm nôi tiếp trên đường truyền nên thường

chọn giá trị trở kháng khá nhỏ để giảm phản xạ do sự biến đổi trở kháng khi tu C1

nôi tiếp trên đường truyền (ZC1 nt Z0). Trong mạch thiết kế chọn giá trị tu C1 co trở

kháng dưới mΩ tại tân sô 10GHz đảm bảo tâng ra phôi hợp trở kháng 50Ω.

Tính toán đường truyền mạch vi dải :

Đường truyền mạch vi dải là loại đường truyền song phăng được dùng phổ biến

nhất hiện nay bởi no 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 thu động lăp ráp bề mặt. Đường truyền vi dải gồm 1 dải dẫn co độ rộng W được

in trên đế điện môi co độ dày h và hằng sô điện môi εr.



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 song truyền trên đường truyền

vi dải không phải là mode song TEM lý tưởng do một phân trường truyền trong môi

trường không khí. Do đo, song truyền trên đường truyền mạch vi dải là song quasi-

TEM và các thông sô đường truyền được tính toán gân đúng bằng những công thức

thực nghiệm dưới đây.

Vận tôc pha của song :

[3.13]

Trong đo εe là hằng sô điện môi tương đương của mạch vi dải được tính theo hằng

sô điện môi của đế ε bởi công thức sau :

[3.14]

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

với W/d ≤1 [3.15]

với W/d ≥1 [3.16]

Trong trường hợp đã biết trở kháng đặc tính của đường truyền Z0 và hằng sô điện

môi của đế ε thì tỉ sô W/d được tính bởi công thức sau :

với W/d< 2 [3.17]



với W/d> 2 [3.18]

Trong đo :

[3.19]

[3.20]

Trong đường truyền siêu cao tân, trở kháng song của đường truyền thường là

Z0=50 Ohm. Dựa vào thông sô đế điện môi và công thức 3.17 ÷ 3.20 ta tính được

độ rộng của đường truyền (thiết kế cho tân sô 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

song trong không khí của đường truyền mạch vi dải cân thiết kế các đường GND

sát với đường truyền tín hiệu gân nhất co 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



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 đâu ra với độ rộng thay

đổi được từ 4ns tới 500ps được dùng dao động ký sampling 3S1 Tektronic tân sô

1GHz.

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



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



Chương IV : ỨNG DỤNG CỦA MẠCH PHÁT VA LAM SẮC XUNG CỰC NGẮN

4.1.Ứng dung của máy phát xung cực ngắn

Máy phát xung cực ngăn được thiết kế để sư dung trong mạch điều khiển laser

và LED nhờ khả năng thay đổi được độ rộng xung và xung co sườn lên và xuông

chỉ trong khoảng vài chuc tới vài trăm ps. Mạch phát xung này được đặt trước tâng

driver cho LED và laser nhằm nâng tôc độ truyền dữ liệu lên tới 1,23Gbps sư dung

2 IC driver MAX3966 dùng cho LED và MAX3996 dùng cho laser (chi tiết tại

phân phu luc).

4.2.Một số ứng dung phát triển của mạch phát xung cực ngắn

Ngoài những ứng dung trong thông tin quang, mạch phát xung SRD còn được sư

dung trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau.

4.2.1.Ứng dung 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 hâu hết các lĩnh vực thông tin.

Các mạng WLAN, WPAN và mạng ad-hoc được xây dựng ở khăp mọi nơi. Sự phát

triển của hệ thông mạng không dây dựa trên nền tảng của kỹ thuật UWB. Kỹ thuật

UWB là đưa ra những giải pháp sư dung hiệu quả hơn vùng phổ vô tuyến co sẵn mà

không cân 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 :

[4.1]

Trong đo C là dung lượng của đường truyền, B là dải thông của đường truyền và

SNR là tỉ sô tín hiệu/tạp âm. Rõ ràng là với dải thông của tín hiệu phát càng rộng

thì chỉ cân SNR nhỏ hay noi cách khác là công suất phát rất thấp mà vẫn đảm bảo

chất lượng của đường truyền. Vì vậy, hệ thông UWB được xây dựng với khả năng

cung cấp dải thông rất rộng (tôi 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 tôc độ cao. Hệ thông UWB yêu câu dạng tín hiệu phát ra phải co



dạng bước xung hoặc các xung vuông co độ rộng cỡ từ 1÷ 10ns và sườn xung khá

dôc. Như vậy ta co thể thấy mạch phát xung SRD đong vai trò quan trọng trong lĩnh

vực UWB với khả năng thay đổi độ rộng xung và cho phép sườn xung lên tới vài

chuc ps.

4.2.2.Ứng dung trong hệ thống radar định vị

Trong hệ thông radar định vị, nhằm muc 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 co thể xác

định chính xác khoảng cách của chướng ngại vật. Xung phát ra từ radar thường là

một xung đơn hình sin co chu kỳ rất ngăn. Xung phát ra càng ngăn càng nâng cao

độ chính xác của radar. Việc phát xung đơn hình sin co chu kỳ rất ngăn được tạo ra

dựa trên phương pháp sư dung diode SRD và đường dây ngăn mạch [19].

Qua đo, ta co thể thấy trong lĩnh vực radar định vị, mạch phát xung cực ngăn

SRD là giải pháp rẻ tiền nhất thỏa mãn yêu câu kỹ thuật được đặt ra.



KẾT LUẬN CHUNG

Sau thời gian thực tập và làm việc, đồ án “Hệ thông FTTH(Fiber-to-the-Home)

Gigabits/s” đã hoàn thành đúng tiến độ đặt ra. Mạch phát và làm săc xung cực ngăn

là bước đi đâu tiên để phát triển mạch phát laser tôc độ cao ứng dung trong mạng

FTTH. Mạch co khả năng phát xung co sườn từ 100 ÷ 500 ps với độ rộng xung co

thể điều chỉnh được theo yêu câu sư dung. Mạch phát và làm săc xung này không

chỉ ứng dung trong việc thiết kế transceiver cho modem quang trong mạng FTTH

mà còn co nhiều ứng dung khác trong hệ thông UWB và radar.

Trong quá trình thực hiện đồ án, bản thân em đã thu nhận được một sô 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 tư

- Tìm hiểu diode SRD và ứng dung của no

- Tính toán và thiết kế mạch siêu cao tân dùng mạch vi dải

- Biết cách lựa chọn linh kiện siêu cao tân và đo đạc

- Tìm hiểu những vấn đề liên quan tới mạch làm săc xung và phát xung cực

ngăn

Do thời gian co hạn và khôi 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 tôc độ từ

1,25Gb/s tới 2,5Gb/s cùng thiết kế mẫu transceiver ứng dung cho mạng FTTH. Hi

vọng trong thời gian tới em co thể tiếp tuc hướng phát triển này cùng một sô ý

tưởng ứng dung khác tiếp tuc kết quả của đồ án này.



TAI LIỆU THAM KHẢO

[1]. http://www.infocellar.com/networks/new-tech/PON/PON-real.htm , truy cập

cuôi cùng ngày 23/02/2009

[2]. http://www.cs.cmu.edu/afs/andrew.cmu.edu/usr9/sirbu/www/pubs/FITL/

tprc6.html , truy cập cuôi cùng ngày 23/02/2009

[3]. http://vntelecom.org/diendan/ , truy cập cuôi 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 cuôi cùng ngày 23/02/2009

[13]. http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Fibre_Coaxial , truy cập cuôi cùng ngày

23/02/2009


http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Fibre_Coaxial

http://en.wikipedia.org/wiki/FTTH

http://vntelecom.org/diendan/

http://www.cs.cmu.edu/afs/andrew.cmu.edu/usr9/sirbu/www/pubs/FITL/tprc6.html

http://www.cs.cmu.edu/afs/andrew.cmu.edu/usr9/sirbu/www/pubs/FITL/tprc6.html

http://www.infocellar.com/networks/new-tech/PON/PON-real.htm


[14]. http://en.wikipedia.org/wiki/Switched_digital_video , truy cập cuôi 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.504-

506.

[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 Time-

Domain 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 lân cuôi cùng ngày 12/05/2009


http://www.alldatasheet.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/Switched_digital_video


BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT

Active component Thiết bị chủ động

Active Optical Network Mạng quang tích cực

Auto Power Control Tự động điều khiển công suất

Bragg grating Cách tư Bragg

Central Office Tổng đài

Coupler Bộ ghép

Dynamic Bandwidth Allocation Giao thức phân phôi băng thông động

Falltime Sườn xuông

Guard time Khoảng thời gian bảo vệ

IP convergence Tính hội tu IP

Lasing threshold Ngưỡng phát laser

Multipoint Control Protocol Data Unit Giao thức điều khiển truy nhập điểm-đa

điểm

Network Element Phân tư mạng

Operation Administration and

Maintenance

Bộ phận khai thác, quản lý và bảo dưỡng

Optical Line Terminal Thiết bị kết cuôi kênh quang

Optical Network Terminal Kết nôi mạng quang

Passive Optical Network Mạng quang thu động

Point-to-Point Giao thức điểm-điểm

Risetime Sườn lên

Service Level Agreement Chức năng thỏa thuận mức dịch vu

Splitter Bộ chia quang

Transceiver Bộ thu-phát

Transimpedance Amplifier Bộ khuếch đại truyền trở kháng



PHỤ LỤC

Dưới đây là các thông sô kỹ thuật của đế mạch in, diode SRD, diode Schottky và

IC driver cho LED và laser


Documents

Do an Tot Nghiep_Mang FTTH-Duong Quang Ha