Đồ án Mạng FTTH (Fiber - To - The - Home) Gigabit/s

Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..................................................................... Error! Bookmark not defined. TÓM TẮT ĐỒ ÁN.............................................................. Error! Bookmark not defined. DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG .........................................................................................3 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................................5 MỞ ĐẦU...............................................................................................................................8 Chương I : MẠNG FTTH (Fiber–to–the–Home)..................................................................9 1.1.Giới thiệu chung ..........................................................................................................9 1.1.1.Mạng FTTC và HFC ................................................................................................9 1.1.2.Giới thiệu về mạng FTTH ..................................................................................13 1.1.3.Ưu điểm của FTTH ............................................................................................15 1.2. Mạng FTTH..............................................................................................................16 1.2.1. Bước sóng sử dụng trong mạng FTTH..............................................................16 1.2.2. Mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON ..............................18 1.2.2.1. AON ...........................................................................................................18 1.2.2.2. Mạng PON..................................................................................................19 1.2.3.Các chuẩn trong mạng PON...............................................................................23 1.2.3.1.B-PON .........................................................................................................23 1.2.3.2. BPON và Gigabit PON...............................................................................24 1.2.3.3.WDM-PON .................................................................................................26 1.2.3.4.CDMA-PON................................................................................................28 1.2.4. Bộ tách/ghép quang và topo trong mạng PON..................................................29 1.2.4.1.Bộ tách/ghép quang .....................................................................................29 1.2.4.2.Topo hình cây..............................................................................................31 1.2.4.3.Topo dạng bus .............................................................................................33 1.2.4.4.Topo dạng vòng...........................................................................................33 1.2.4.5.Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ .......................34 1.2.5. PON MAC layer ................................................................................................36 1.2.5.1. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi-Point Control Protocol) ........36 1.2.5.2. PON với kiến trúc IEEE 802 ......................................................................40 Chương II : KIẾN TRÚC BỘ THU-PHÁT TRONG MẠNG PON....................................44 2.1.Đặc điểm chung.........................................................................................................44 2.1.1.Yêu cầu đối với mạng PON................................................................................45 2.1.2.Lớp vật lý mạng PON.........................................................................................46 2.1.3.Định thời cho chế độ burst-mode trong mạng PON...........................................48 2.2. Kiến trúc bộ thu-phát trong mạng ............................................................................53 2.2.1. Sơ đồ khối của ONU/OLT ................................................................................54 2.2.2. Thiết bị thu và phát tín hiệu quang....................................................................56 2.2.2.1.Thiết bị phát quang......................................................................................56 2.2.2.1.1.LED (Light Emitting Diode) ................................................................57 2.2.2.1.2.Laser .....................................................................................................58 2.2.2.2.Thiết bị thu quang........................................................................................62 2.2.2.3.Bộ ghép WDM ............................................................................................66 2.2.2.4.Bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA...........................................................67 2.2.3. Các module thu và phát quang ..........................................................................68 2.2.4. Bộ thu-phát chế độ burst-mode .........................................................................71 2.2.4.1. So sánh giữa chế độ thông thường và chế độ burst-mode..........................71 2.2.4.2. Bộ phát quang chế độ burst-mode ..............................................................72 2.2.4.2. Bộ thu quang chế độ burst-mode................................................................79 Chương III : MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN.....................................86 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 2 3.1. Step-recovery-time diode (SRD)..............................................................................86 3.1.1.Đặc tính lý tưởng của SRD.................................................................................86 3.1.2.Đặc tính thực tế của SRD ...................................................................................87 3.1.3.Thời gian chuyển tiếp của SRD..........................................................................89 3.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn..........................................................90 3.2.1.Nguyên lý thiết kế ..............................................................................................90 3.2.2.Thiết kế mạch phát và làm sắc xung cực ngắn...................................................93 3.2.3.Kết quả thực nghiệm ..........................................................................................97 Chương IV : ỨNG DỤNG CỦA MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN ....99 4.1.Ứng dụng của máy phát xung cực ngắn ....................................................................99 4.2.Một số ứng dụng phát triển của mạch phát xung cực ngắn.......................................99 4.2.1.Ứng dụng trong hệ thống UWB .........................................................................99 4.2.2.Ứng dụng trong hệ thống radar định vị ............................................................100 KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................................101 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................102 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT..............................................................104 PHỤ LỤC ..........................................................................................................................105 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 3 DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG Hình 1.1-Mô hình mạng FTTC điển hình ...........................................................................11 Hình 1.2-Mạng HFC............................................................................................................11 Hình 1.3–Mạng SDV...........................................................................................................13 Hình 1.4–Mạng FTTH.........................................................................................................14 Hình 1.5-Đặc tuyến suy hao trong sợi quang ......................................................................17 Hình 1.6-Mạng Active Ethernet (trên ) và mạng AON (dưới) ............................................19 Hình 1.7–Mạng PON...........................................................................................................21 Hình 1.8-Cấu trúc của WDM-PON.....................................................................................27 Hình 1.9-Cấu hình cơ bản bộ ghép/tách quang ...................................................................29 Hình 1.10-Coupler hình sao và phương pháp tạo 1x8 coupler từ Y coupler.......................30 Hình 1.11–Topo hình cây ....................................................................................................32 Hình 1.12–Topo dạng bus ...................................................................................................33 Hình 1.13-Topo dạng vòng .................................................................................................34 Hình 1.14–Topo hình cây với đường tải phụ ......................................................................34 Hình 1.15–Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng .............................................................35 Hình 1.16–Topo dạng vòng kết hợp....................................................................................35 Hình 1.17-Thời gian Round-trip..........................................................................................37 Hình 1.18-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate....................................................38 Hình 1.19-Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report.................................................39 Hình 1.20-Hướng xuống trong PtPE ...................................................................................41 Hình 1.21-Hướng lên trong PtPE ........................................................................................41 Hình 1.22-Cầu giữa các ONU trong PtPE...........................................................................42 Hình 1.23-Hướng truyền xuống trong SME........................................................................42 Hình 1.24-Hướng truyền lên trong SME.............................................................................43 Hình 2.1-Định thời cho chế độ burst mode .........................................................................49 Hình 2.2–Một vài bộ thu-phát sử dụng trong mạng quang .................................................53 Hình 2.3–Sơ đồ khối kiến trúc thu-phát trong mạng PON..................................................55 Hình 2.4-Sơ đồ khối IC MAC Control ................................................................................56 Hình 2.5-Đặc tính của LED : a)Đường cong P-I của LED tại một dải nhiệt độ .................58 Hình 2.6-Cấu trúc của DFB laser ........................................................................................60 Hình 2.7-Hình ảnh của F-P laser .........................................................................................60 Hình 2.8–Đặc tuyến P-I của laser DFB (a) và F-P (b) ........................................................61 Hình 2.9-Hình ảnh cấu trúc của laser VCSEL ....................................................................62 Hình 2.10-Đặc tuyến hoạt động của laser VCSEL..............................................................62 Hình 2.11- Hình ảnh photodiode p-i-n ................................................................................63 Hình 2.12- Hình ảnh photodiode APD và phân bố điện trường trên nó..............................64 Hình 2.13-Đặc tuyến V-I của APD và hệ số nhân ..............................................................65 Hình 2.14-DFB và APD đóng gói theo cấu trúc TO-CAN .................................................66 Hình 2.15-Đặc điểm phổ của đường truyền và hình ảnh bộ lọc WDM ..............................67 Hình 2.16–Kiến trúc tầng tiền khuếch đại...........................................................................67 Hình 2.17-Module thu-phát 2 chiều dạng diplexer .............................................................70 Hình 2.18–Module thu phát 2 chiều dạng triplexer.............................................................70 Hình 2.19–Dạng dữ liệu truyền đi trong thông tin số..........................................................72 Hình 2.20–Đặc tuyến nhiệt độ của laser F-P.......................................................................74 Hình 2.21–Sơ đồ khối của IC điều khiển laser diode điển hình..........................................75 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 4 Hình 2.22–So sánh giữa mạch LDS trong 2 chế độ liên tục và burst-mode .......................76 Hình 2.23-Hai sơ đồ mạch APC điển hình..........................................................................76 Hình 2.24–Tín hiệu định thời và mẫu mắt của BM-Tx mạng EPON..................................78 Hình 2.25–Mẫu mắt đo được ở các nhiệt độ khác nhau......................................................79 Hình 2.26–Cấu trúc bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode ......................................................81 Hình 2.27–Sơ đồ khối của một IC tiền khuếch đại chế độ burst-mode...............................83 Hình 2.28–So sánh giữa mạch AGC thông thường và mạch AGC burst-mode..................83 Hình 2.29–Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của tầng tiền khuếch đại AGC ................84 Hình 2.30–So sánh giữa đầu thu sử dụng mạch ghép AC và DC........................................85 Hình 3.1-Hình ảnh SRD diode ............................................................................................87 Hình 3.2-Đặc tuyến động lý tưởng và không lý tưởng của diode SRD ..............................88 Hình 3.3-Mạch tương đương của diode SRD......................................................................88 Hình 3.4-Mạch nguyên lý....................................................................................................90 Hình 3.5-Dạng xung tạo ra sau khi qua diode SRD ............................................................91 Hình 3.6-Hình ảnh tổng hợp của 2 xung tới tải...................................................................92 Hình 3.7-Mạch phát và làm sắc xung cực ngắn ..................................................................93 Hình 3.8-Đường truyền mạch vi dải....................................................................................95 Hình 3.9-Hình ảnh mạch phát xung cực ngắn.....................................................................96 Hình 3.10-Hình ảnh mạch in layout ....................................................................................97 Hình 3.11- Xung độ rộng 4ns, sườn xung 1ns.....................................................................97 Hình 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].............................................................................................45 Bảng 2.2-Tính chất lớp vật lý của mạng BPON [7] ............................................................47 Bảng 2.3-Lớp vật lý mạng EPON và GPON [8] .................................................................48 Bảng 2.4-Định thời chế độ burst mode cho GPON và EPON [8,10] ..................................50 Bảng 2.5-Tham số cơ bản cho chuẩn GPON lớp B cho tầng PMD [8]...............................51 Bảng 2.6-Các tham số PMD chính trong mạng EPON [11]................................................52 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 5 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 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 6 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 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 7 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 Đồ án tốt nghiệp Dương Quang Hà – KSTN-ĐTVT-K49 8 MỞ ĐẦU Trong xu thế hội nhập toàn cầu, mạng Internet là công cụ hỗ trợ không thể thiếu của mỗi người trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống. Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, công nghệ bán dẫn và công nghệ quang-điện tử, mạng FTTH đang được triển khai trong thời gian hiện nay mà dẫn đầu là các nước có nền công nghiệp điện tử phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc,… Mạng FTTH là một kiến trúc mạng mới sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn nên mạng cung cấp cho người sử dụng băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao với chất lượng dịch vụ khá tốt. Dựa trên công nghệ mạng quang thụ động cùng với kiến trúc transceiver mới, mạng FTTH có khả năng cung cấp cho số lượng thuê bao lớn hơn rất nhiều so với mạng Internet thông thường, dễ dàng mở rộng mạng và cho phép người sử dụng dùng đồng thời nhiều dịch vụ truyền thông tốc độ cao. Nội dung đồ án gồm 4 chương : Chương I : Tìm hiểu mạng FTTH, kiến trúc mạng và các chuẩn sử dụng trong