Thiết kế bộ chuyển đổi quang điện media converter bằng altium

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THÔNG
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU
QUANG-ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO

GVHD: TS. PHẠM QUANG THÁI
THS.NGUYỄN HỒNG SƠN
SVTH: TRẦN THẾ MẠNH
MSSV: 40901533

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
-----✩----Số: ______ /BKĐT
Khoa: Điện – Điện tử
Bộ Môn: Điện Tử

-----✩-----

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN THẾ MẠNH

MSSV: 40901533

2. NGÀNH:
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
LỚP : DD09DV456
3. Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU QUANG –ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO.
4. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Tìm hiểu về các linh kiện quang,các transceiver, các IC. Nghiên cứu kĩ thuật chuyển đổi
tín hiệu quang điện, tiến hành thiết kế một thiết bị quang hoàn thiện sử dụng phần mềm
thiết kế Altium Designer phiên bản 10 để tạo mạch PCB dựa trên công nghệ mạch dán
mới SMT. Đồng thời đề xuất các phương pháp khử nhiễu và ứng dụng nó trong thiết kế
mạch PCB. Sau khi thực hiện phần cứng tiến hành đo đạc kiểm tra nhiễu, tốc độ, độ rung
pha, tỉ lệ lỗi datagrams bằng dao động kí, POM, VOM, phần mềm kiểm mạng tra i-perf.
5. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: ...............................
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ...................................
7. Họ và tên người hướng dẫn:
Phần hướng dẫn
.................................................................
.....................................
.................................................................
.....................................
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn.
Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:......................................................
Ngày bảo vệ : ...........................................
Điểm tổng kết: .........................................

Nơi lưu trữ luận văn: ...............................

NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian được học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Bách Khoa
TP.HCM, dưới sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong các phòng khoa, nay em đã gần kết
thúc khoá học, đang trong giai đoạn hoàn thành luận văn tốt nghiệp và sắp sửa trở thành một
người kỹ sư điện tử viễn thông có thể góp sức xây dựng cho sự phát triển xã hội, đất nước. Để
được như ngày hôm nay em vô cùng biết ơn tất cả các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã
tận tình giảng dạy, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em trong
khoảng thời gian được học tập, rèn luyện tại trường. Cám ơn thầy TS.Phạm Quang Thái và
thầy Ths. Nguyễn Hồng Sơn đã tận tình định hướng, giúp đỡ và trực tiếp chỉ dạy em rất nhiều
trong suốt quá trình thực hiện hai đồ án 1,2 và luận văn tốt nghiệp. Cám ơn các anh chị em
sinh viên các khoá đã cùng em học tập và chia sẻ kiến thức tiếp thu trong quá trình theo học
tại trường. Đồng thời chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh chị, bạn bè những
người luôn đứng bên cạnh em để động viên, an ủi, ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần trong suốt
khoảng thời gian qua.
Với lòng biết ơn chân thành, em xin gởi lời chúc sức khoẻ và những gì tốt đẹp nhất đến
các thầy cô trong khoa, trong nhà trường, những bậc cha mẹ, anh chị đáng kính và toàn thể
các bạn bè hiện đang còn học hoặc không còn học tại trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm

.

Trần Thế Mạnh

i


Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, khi mà nhu cầu giải trí của con người ngày càng tăng cao thì các đường
truyền với tốc độ thấp không còn đáp ứng đủ những ứng dụng hiện đại. Khi đó, công nghệ
truyền dẫn bằng cáp quang ra đời đã mở ra một lối đi mới đầy triển vọng trong ngành truyền
dẫn. Tuy nhiên việc nghiên cứu về lĩnh vực truyền dẫn bằng cáp quang vẫn còn khá mới mẻ,
nhất là về các thiết bị truyền dẫn quang.
Đề tài” thiết kế mạch chuyển đổi tín hiệu quang-điện tốc độ cao” có mục đích nhằm
tạo ra một thiết bị quang nhằm hiện thực hóa việc truyền dữ liệu bằng cáp quang với tốc độ
cao. Thông qua đề tài này, người viết đã trình bày những hiểu biết của mình qua quá trình tìm
hiểu về mạng quang tốc độ 100Mbps, trình bày cấu trúc và hoạt động của các thiết bị quang,
trình bày các kiến thức khử nhiễu trong thiết kế PCB tốc độ cao, các kiến thức thiết kế mạch
dán công nghệ mới SMT . Cuối cùng là đưa ra các phương pháp kiểm tra tốc độ, độ ổn định,
tỉ lệ lỗi datagram, nhiễu, công suất phát quang nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn thiện.

ii


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
1.

GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 1
1.1.

Tổng quan ......................................................................................................... 1

1.2.

Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 2

1.3.

Phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ............................................. 3

1.4.

Đóng góp của luận văn ..................................................................................... 3

2.

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .................... 4
2.1.

Giới thiệu các chuẩn tín hiệu 802.3 của IEEE ................................................. 4

2.1.1. Chuẩn 10BASE-T ....................................................................................... 4
2.1.2. Chuẩn 100BASE-TX .................................................................................. 5

2.1.3. Chuẩn 100BASE-FX .................................................................................. 8
2.1.4. Chuẩn FDDI (Fiber Distributed Data Interface)....................................... 10
2.1.5. Các loại mã hóa thường dùng ................................................................... 15
2.2.

Giao tiếp MII, RMII và GMII ......................................................................... 20

2.2.1. MII (Media Independent Interface) .......................................................... 20
2.2.2. RMII (Reduce Media Independent Interface) .......................................... 22
2.2.3. GMII (Gigabit Media Independent Interface) .......................................... 24
2.3.

Tổng quan về các linh kiện ............................................................................. 25

2.3.1. Linh kiện để giao tiếp với cáp UTP CAT-5 ( Ethernet transceiver) ......... 25
2.3.2. Linh kiện để giao tiếp với cáp quang( Optic transceiver) ........................ 27
2.3.3. IC xử lý quang trung tâm .......................................................................... 32
2.4.

Nhiễu trong thiết kế PCB ................................................................................ 37

2.4.1. Nhiễu trong thiết kế mạch điện tử tốc độ cao ........................................... 37
2.4.2. Tại sao phải thiết kế chống nhiễu trước? .................................................. 38
2.4.3. Các loại nhiễu cần quan tâm trong thiết kế PCB ...................................... 38
2.4.4. Các phương pháp khắc phục nhiễu trong thiết kế PCB ............................ 41

iii


Luận văn tốt nghiệp

3.

THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG ................................................ 44
3.1.

Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 44

3.2.

Phân tích ......................................................................................................... 46

3.2.1. Lựa chọn Ethernet transceiver .................................................................. 46
3.2.2. Lựa chọn Optic transceiver....................................................................... 47
3.2.3. Lựa chọn IC quang xử lý trung tâm.......................................................... 49
3.3.

Sơ đồ khối tổng quát của mạch media converter luận văn ............................. 56

3.4.

Thiết kế sơ đồ nguyên lý kết hợp các phương pháp lọc nhiễu........................ 60

3.4.1. Khối Optic transceiver OCM-3511 .......................................................... 61
3.4.2. Khối Ethernet transceiver HR911102A .................................................... 68
3.4.3. Khối IC quang xử lý trung tâm ................................................................. 70
3.4.4. Khối cấp nguồn ......................................................................................... 71
3.4.5. Khối công tắc điều khiển chính ................................................................ 73
3.4.6. Khối LED báo hiệu ................................................................................... 74
3.4.7. Khối tạo dao động thạch anh .................................................................... 75

3.5.

Vẽ mạch dán SMT của media converter bằng phần mềm Altium .................. 76

3.6.

Kết quả kiểm tra đo đạc .................................................................................. 81

3.6.1. Kiểm tra mức công suất phát quang của optic transceiver ....................... 81
3.6.2. Xây dựng mô hình để kiểm tra tốc độ, độ rung và tỉ lệ lỗi datagrams ..... 85
3.7.

Đánh giá .......................................................................................................... 92
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 93

4.
4.1.

Kết luận ........................................................................................................... 93

4.2.

Hướng phát triển ............................................................................................. 94

5.

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 95

6.

Phụ lục ............................................................................................................... 96
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch chi tiết ........................................................................... 96

iv


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA
Hình 1.1 Sơ đồ minh họa việc sử dụng media converter................................................ 1
Hình 1.2 Sơ đồ khối tạo thành một bộ media converter ................................................. 2
Hình 2.1Sợi cáp xoắn UTP-5 [3] .................................................................................... 4
Hình 2.2 Dạng sóng được mã hóa Manchester trên đường truyền chuẩn 10BASE-T ... 5
Hình 2.3 Mã đường dây MTL-3[5] ................................................................................ 6
Hình 2.4 Kiểu đấu dây T568A và T568B [3] ................................................................. 6
Hình 2.5 Kiểu đấu dây của chuẩn 10/100BASE-T [3] ................................................... 7
Hình 2.6 Kiểu mã hóa NRZ-I ......................................................................................... 9
Hình 2.7 Các đầu nối cáp quang chuẩn 100BASE-FX................................................. 10
Hình 2.8 Quan hệ giữa các đặc tả FDDI với mô hình OSI........................................... 11
Hình 2.9 Môi trường tryền là cáp quang của FDDI ..................................................... 12
Hình 2.10 Cấu hình mạng FDDI điển hình .................................................................. 13
Hình 2.11 Các cổng DAS kết nối tới vòng chính và vòng thứ hai của FDDI .............. 14
Hình 2.12 Cấu trúc hub/tree của FDDI......................................................................... 14
Hình 2.13 Trung tâm máy tính của FDDI .................................................................... 15
Hình 2.14 Mã NRZ ....................................................................................................... 16
Hình 2.15 Mã NRZI ..................................................................................................... 17
Hình 2.16 Từ điển mã 4B5B ........................................................................................ 18
Hình 2.17 Mã hóa Manchester ..................................................................................... 19
Hình 2.18 Mã hóa MTL-3 ............................................................................................ 19
Hình 2.19 MII connector .............................................................................................. 20

Hình 2.20 Giao tiếp MII ............................................................................................... 21
Hình 2.21 Giao tiếp RMII............................................................................................. 23
Hình 2.22 Cuộn dây filter và đầu nối RJ-45 ................................................................. 25
Hình 2.23 Socket HR911102A với cổng RJ-45 của HanRun ...................................... 26

v


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.24 Mô hình giao tiếp cổng Ethernet ................................................................. 26
Hình 2.25 Hình ảnh thực tế của một Optic Fiber 1X9 ................................................. 27
Hình 2.26 Sơ đồ khối của bộ transceiver 1X9 PECL ................................................... 28
Hình 2.27 Hình ảnh thực tế transceiver SFP ................................................................ 29
Hình 2.28 Hình ảnh thực tế của transceiver XFP ......................................................... 30
Hình 2.29 Hình ảnh thực tế của GBIC transceiver ....................................................... 30
Hình 2.30 Hình ảnh thực tế của transceiver Xenpak .................................................... 31
Hình 2.31 Hình ảnh thực tế của transceiver X2 ........................................................... 31
Hình 2.32 Sơ đồ khối của IC KS8721BL [16] ............................................................. 32
Hình 2.33 Sơ đồ khối thiết kế media converter với IC KS8721BL ............................. 33
Hình 2.34 Sơ đồ khối của IC DM9301FP[17].............................................................. 33
Hình 2.35 Sơ đồ chân của IP113F ................................................................................ 35
Hình 2.36 Sơ đồ khối của IP113F ................................................................................ 36
Hình 2.37 Sơ đồ ứng dụng media converter của IP113F ............................................. 37
Hình 2.38 Kết hợp cả khử Radiation noise và Reception noise ................................... 38
Hình 2.39 Mạch in PCB ............................................................................................... 38
Hình 2.40 Sự tồn tại của các tụ ẩn và cuộn cảm ẩn trong một mạch PCB ................... 39
Hình 2.41 Nhiễu làm biến dạng tín hiệu ....................................................................... 39
Hình 2.42 Nhiễu do nguồn không ổn định ................................................................... 39
Hình 2.43 Ảnh hưởng của tín hiệu A lên tín hiệu B ..................................................... 40

Hình 2.44 Lựa chọn kiểu đóng gói QFP thay vì DIP ................................................... 41
Hình 2.45 Chọn IC đã tích hợp single chip .................................................................. 41
Hình 2.46 Khử nhiễu cho bộ dao động ......................................................................... 42
Hình 2.47 Chọn nguồn thích hợp ................................................................................. 42
Hình 2.48 Sơ đồ bộ lọc nhiễu LC ................................................................................. 42
Hình 2.49 Đáp ứng trở kháng của tụ điện 10pF ........................................................... 43
Hình 2.50 Đáp ứng trở kháng của tụ điện với các giá trị tần số khác nhau .................. 43
vi


Luận văn tốt nghiệp
Hình 3.1 Cáp UTP Cat-5 với đầu nối RJ-45................................................................. 45
Hình 3.2 Cáp quang sợi đơn mode với đầu nối SC ...................................................... 45
Hình 3.3 Module Ethernet board .................................................................................. 47
Hình 3.4 Sơ đồ các chân của OCM-3511 ..................................................................... 48
Hình 3.5 Hình ảnh thực tế của OCM-3511 .................................................................. 49
Hình 3.6 Hình thực tế của IP113 .................................................................................. 50
Hình 3.7 Sơ đồ chân của IP113F [20] .......................................................................... 51
Hình 3.8 Sơ đồ khối thiết kế media converter .............................................................. 56
Hình 3.9 Sơ đồ khối của OCM-3511 ............................................................................ 57
Hình 3.10 Sơ đồ khối bên trong IP113 ......................................................................... 58
Hình 3.11 Sơ đồ khối giao diện xử lý tín hiệu quang [16] ........................................... 58
Hình 3.12 Sơ đồ khối giao diện xử lý tín hiệu điện ...................................................... 59
Hình 3.13 Bên trong một transceiver HR911102A ...................................................... 60
Hình 3.14 Sơ đồ gợi ý của nhà sản xuất [19] ............................................................... 61
Hình 3.15 Thiết kế sau khi cải thiện của phần giao tiếp optic transceiver ................... 62
Hình 3.16 Phân áp cho dây SD để phù hợp giao tiếp với IC ........................................ 62
Hình 3.17 Kéo trở lên cho hai dây TD+/-..................................................................... 63
Hình 3.18 Chức năng cách ly DC của tụ coupling ....................................................... 64
Hình 3.19 Tín hiệu kiểm tra đo được tại chân TD+/- ................................................... 65

Hình 3.20 Kéo trở lên cho hai dây RD+/- .................................................................... 66
Hình 3.21 Dạng tín hiệu kiểm tra đo được trên chân RD+/- ........................................ 66
Hình 3.22 Ý nghĩa của việc truyền tín hiệu vi sai ........................................................ 67
Hình 3.23 Ổn định nguồn cho transceiver optic ........................................................... 67
Hình 3.24 Mạch sau khi thiết kế bằng Altium designer của optic transceiver ............. 68
Hình 3.25 Sơ đồ nguyên lý của board Ethernet [21] .................................................... 69
Hình 3.26 Tín hiệu kiểm tra đo được trên các chân TD+/- .......................................... 69
Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý khối IC .............................................................................. 70
vii


Luận văn tốt nghiệp

Hình 3.28 Bố trí tụ lọc nhiễu gần xung quanh IC ........................................................ 71
Hình 3.29 IC ổn áp LM1117 2.5 được dùng làm nguồn chính cho mạch luận văn ..... 71
Hình 3.30 Sơ đồ nối chân của LM1117 để tạo áp 2.5V ............................................... 72
Hình 3.31 Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn ................................................................. 72
Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý khối công tắc điều khiển chính ......................................... 73
Hình 3.33 DIP Switch 10 .............................................................................................. 74
Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý của khối LED ................................................................... 74
Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý khối tạo dao động thạch anh ............................................. 75
Hình 3.36 Bố trí thạch anh gần IC cùng các tụ lọc....................................................... 76
Hình 3.37 Dạng sóng đo được trên chân thạch anh ...................................................... 76
Hình 3.38 Altium Designer .......................................................................................... 78
Hình 3.39 Sơ đồ nguyên lý khối trung tâm .................................................................. 79
Hình 3.40 Mạch in PCB hai lớp SMT của phần trung tâm .......................................... 80
Hình 3.41 Mạch sau khi hoàn thành ............................................................................. 81
Hình 3.42 Thiết bị optical power meter ........................................................................ 82
Hình 3.43 Cáp quang đơn mode ................................................................................... 82
Hình 3.44 Board media converter sau khi hoàn thành ................................................. 83

Hình 3.45 Bộ suy hao quang 10dB ............................................................................... 83
Hình 3.46 Đo mức công suất phát quang bằng POM ................................................... 84
Hình 3.47 Đo mức công suất phát quang sau khi gắn bộ suy hao ................................ 84
Hình 3.48 Mô hình kết nối để kiểm tra băng thông và độ rung ................................... 85
Hình 3.49 Giao diện phần mềm J-perf 2.0 của máy được chọn làm sever ................... 86
Hình 3.50 Giao diện phần mềm J-perf của máy được chọn làm client ........................ 86
Hình 3.51 Băng thông client ......................................................................................... 87
Hình 3.52 Kết quả đo tốc độ và độ rung tại máy chủ server ........................................ 89
Hình 3.53 Sơ đồ kết nối vào internet thực tế để kiểm tra ............................................. 91
Hình 3.54 Giao diện của ứng dụng speedtest.net ......................................................... 92
viii


Luận văn tốt nghiệp
Hình 3.55 Kết quả kiểm tra tốc độ dùng ứng dụng speedtest ....................................... 92
Hình 6.1 Khối IC xử lý + thạch anh+ reset button + header ........................................ 96
Hình 6.2 Khối nguồn + LED + DIP Switch ................................................................. 97
Hình 6.3 Khối Ethernet transceiver .............................................................................. 98
Hình 6.4 Khối Optic transceiver ................................................................................... 98

ix


Luận văn tốt nghiệp

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1 Các đặc tính của transceiver Optic Fiber 1X9 [10] ....................................... 27
Bảng 2.2 Bảng đặc tính của transceiver SFP [10] ........................................................ 29
Bảng 2.3 Đặc tính của transceiver GBIC [10] .............................................................. 30
Bảng 2.4 Các công dụng thực tế của từng giá trị tụ điện trong mạch PCB .................. 44

Bảng 3.1 Yêu cầu về thiết kế cho media converter ..................................................... 46
Bảng 3.2 Các đặc tính của transceiver OCM-3511 [16]............................................... 47
Bảng 3.3 Chức năng các chân của transceiver OCM 3511 .......................................... 48
Bảng 3.4 Chức năng các chân của IP113F [17] ........................................................... 51
Bảng 3.5 Chức năng báo hiệu của khối LED ............................................................... 75
Bảng 4.1 Các thông số sau khi đo đạc .......................................................................... 92

x


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PCB

Printed Circuit Board

SMD

Surface Mount Device

SMT

Surface Mouth Technology

IPTV

Internet Protocol Television

BTS

Base Station

POM

Power Optic Meter

NRZ

Non Return To Zero

MAC

Media Access Control

PHY

Physical device

PECL

Positive Emitter Coupled Logic

LVPECL

Low Voltage Positive Emitter Coupled Logic

DIP

Dual In Line Package

xi


Luận văn tốt nghiệp

1. GIỚI THIỆU
1.1.

Tổng quan
Ngày nay, mạng internet đã phát triển một cách rầm rộ, trở thành một phần gần như

không thể thiếu của đời sống con người. Mạng internet đã đáp ứng nhu cầu giao tiếp, trao đổi,
học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng và nhanh chóng. Tuy nhiên, các ứng dụng, dịch vụ internet
ngày càng một đa dạng hơn và yêu cầu tốc độ truyền tải cao và ổn định hơn. Nhằm đáp ứng
nhu cầu đó, hệ thống mạng cáp quang đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng của con
người về các dịch vụ tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ
xa IP camera…
Với tốc độ vượt trội và khả năng truyền dữ liệu đi xa hơn cáp đồng hằng trăm lần nên
chắc chắn trong tương lại, nền công nghiệp cáp quang sẽ phát triển vượt bậc. Tuy nhiên các
thiết bị hiện nay chúng ta đang sử dụng đều dùng chuẩn giao tiếp với cáp xoắn nên cần tạo
một thiết bị để có khả năng giao tiếp giữa cáp quang và cáp xoắn.
Bộ chuyển đổi quang-điện hay còn được gọi là media converter được nghiên cứu
trong luận văn là một thiết bị được tạo ra nhằm mục đích giao tiếp giữa tín hiệu điện truyền
trong sợi cáp xoắn UTP CAT-5 và tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi cáp quang. Với hai bộ
chuyển đổi quang điện đặt tại hai trạm xa nhau với một đường cáp quang, chúng ta có thể
truyền một tín hiệu từ một trạm tới trạm khác cách xa vài chục kilomet không cần bộ khôi
phục mà tín hiệu vẫn được đảm bảo.

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa việc sử dụng media converter

Khoảng cách truyền dữ liệu của cáp quang có thể từ 300m đến 140km[1] phụ thuộc
vào loại media converter, cáp quang, bước sóng và tốc độ bit.
Một thiết bị media converter là một thiết bị có thể giao tiếp cả hai hướng tín hiệu
quang và tín hiệu điện. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một bộ media converter được trình
bày dưới đây:
1


Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.2 Sơ đồ khối tạo thành một bộ media converter
Trong sơ đồ trên thể hiện một bộ media converter gồm ba phần chính: module
ethernet transceiver, module optic transceiver và IC xử lý trung tâm và. module Ethernet
đóng vai trò giúp IC giao tiếp với tín hiệu cáp xoắn còn module optic giúp IC giao tiếp với tín
hiệu cáp quang. IC xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu.

1.2.

Mục đích nghiên cứu
Thiết kế hoàn thiện một sản phẩm media converter có khả năng giao tiếp cả hai hướng

cáp xoắn và cáp quang. Khả năng truyền dữ liệu khi sử dụng mạch thiết kế đạt chuẩn
100Base Fx đối với giao diện cáp quang và 10/100Base T và đối với giao diện cáp xoắn.
Thiết bị sau khi hoàn thành được hoàn thiện hơn nữa để tích hợp vào hệ thống quản lý
BTS(Base Station) của VNPT. Hệ thống đang sử dụng giao tiếp Ethernet cáp xoắn UTP-5
nhưng trong tương lai cần phải cung cấp một giao tiếp với cáp quang vì mạng cáp quang
đang được triển khai mạnh mẽ và các dịch vụ quản lý đang ngày càng đa dạng và hiện đại,
cần một đường truyền tốc độ cao mới có thể đáp ứng được nhu cầu quản lý của trạm BTS.
Thiết bị cũng có thể được sử dụng để truyền tải dữ liệu đi xa với tốc độ cao khi
khoảng cách qua lớn mà cáp đồng không thể đáp ứng được nhu cầu, hoặc là dùng để tích hợp

trong các thiết bị giải trí số cần kết nối internet tốc độ cao.
Đề tài nghiên cứu về thiết bị truyền dẫn quang là một đề tài tương đối mới mẻ, trước
giờ có ít sinh viên tìm hiểu. Tuy nhiên, với việc xác đinh rằng công nghệ truyền dẫn quang
chắc chắn sẽ thay thế công nghệ truyền dẫn bằng cáp đồng hiện nay vào một ngày không xa
nên người viết đã chủ động nghiên cứu về một ứng dụng của thiết bị quang, tạo tiền đề cho
các sinh viên lớp sau có một nền tảng để theo đó mà tiếp tục đào sâu nghiên cứu. Hi vọng
một ngày nào đó, chúng ta sẽ tự mình sản xuất được những thiết bị quang đáp ứng được nhu
cầu sử dụng của mọi người.

2


Luận văn tốt nghiệp

1.3.

Phạm vi nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu
Cáp xoắn được dùng trong thiết kế là loại CAT -5 UTP có cổng giao tiếp RJ45 tốc độ

là 10/100 Mbps. Cáp quang được dùng trong thiết kế là cáp quang đơn mode với cổng giao
tiếp SC tốc độ 100Mbps. Bước sóng được sử dụng trong thiết kế là 1310nm là bước sóng
được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Dựa vào các tiêu chí thiết kế tiến hành tìm kiếm lựa chọn linh kiện phù hợp và chọn
IC xử lý quang có khả năng đáp ứng yêu cầu. Nếu linh kiện cần tìm không có ở trong nước
thì có thể chọn linh kiện khác thay thế hoặc đặt mua tại nước ngoài. Quá trình tìm hiểu này
cũng đã giúp người viết tích lũy nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế chọn linh kiện làm
mạch.
Vì mạch thiết kế trong luận văn làm việc với tốc độ cao, lại có những linh kiện với
khoảng cách chân rất bé(0.5mm) và có số chân nhiều (IC có 48 chân) nên việc thiết kế không
thể nào thực hiện thủ công được mà bắt buộc phải làm theo kiểu mạch dán SMT. Qua quá

trình tìm hiểu tại các công ty làm mạch SMT tại HCM [Kim Sơn, Sao Kim] thì người viết đã
thấy rằng phần mềm thiết kế mạch Altium Designer đang được các công ty sử dụng do tính
tiện lợi của nó. Vì vậy người viết đã chọn dùng phần mềm thiết kế Altium Designer để thiết
kế mạch luận văn theo kiểu dán SMT(surface mount technology) 2 lớp theo chuẩn công
nghiệp nhằm tối ưu kích thước mạch và giảm nhiễu, hạ giá thành. Phần mềm được sử dụng là
Altium Designer phiên bản 10.
Kiểm tra các giá trị điện trở, dòng điện, điện áp trong mạch mạch bằng VOM(volt
ohm meter). Kiểm tra đánh giá các dạng tín hiệu, nhiễu tại cổng ethernet và cổng optic bằng
dao động kí(oscilloscope). Kiểm tra mức công suất phát quang bằng POM(power optic
meter). Kiểm tra tốc độ(speed), tỉ lệ mất datagrams(lost/total datagrams), độ rung pha (jitter)
bằng phần mềm J-perf.

1.4.

Đóng góp của luận văn

1. Giới thiệu phần mềm thiết kế Altium Designer và phương pháp thiết kế mạch, định tuyến
đường mạch trong thiết kế mạch in PCB. Thiết kế, hoàn thiện một thiết bị chuyển đổi
quang điện tốc độ cao 100Mbps.
2. Tìm hiểu các phương pháp khắc phục nhiễu giúp tối ưu chất lượng của mạch, nâng cao
khả năng sử dụng và độ bền của thiết bị. Các phương pháp khắc phục nhiễu trong thiết kế
mạch in PCB dành cho mạch tốc độ cao.
3


Luận văn tốt nghiệp
3. Trình bày cách sử dụng máy đo POM(power optic meter) để đo mức công suất phát
quang của bộ phát quang nhằm đánh giá chất lượng của bộ phát. Hướng dẫn sử dụng
phần mềm J-perf chuyên dùng để kiểm tra băng thông(bandwidth), tỉ lệ mất
datagrams(lost/total datagrams), độ rung pha (jitter) của hệ thống. Cách kiểm tra mạch

bằng VOM và kiểm tra tín hiệu và nhiễu bằng dao động kí(oscilloscope).

2. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
2.1.

Giới thiệu các chuẩn tín hiệu 802.3 của IEEE
IEEE là tổ chức quy định các chuẩn trong tin học nói riêng và một số lĩnh vực khác

nói chung.
Với sự đòi hỏi nối mạng các máy tính, mạng LAN đã ra đời. Cùng với đó là các bộ
giao thức cho phép kết nối LAN (FDDI, TokenRing...) tuy nhiên phát triển nhất vẫn
là Ethernet. Và IEEE đã dùng số hiệu 802.3 để quy định cho mọi quy tắc, quy chuẩn, luật có
liên quan đến Ethernet
2.1.1. Chuẩn 10BASE-T
10BASE-T là một công nghệ trong mạng (Ethernet) cho phép các máy tính trong
mạng được nối với nhau thông qua cáp đôi xoắn.Được IEEE quy định trong chuẩn 802.3i
năm 1990. Tên gọi của 10BASE-T xuất phát từ một vài đặc điểm vật lý, trong đó 10 tương
ứng với tốc độ truyền tối đa 10 (Megabit) trên giây (Mb/s),độ dài tối đa của cáp là 100m ,
BASE là viết gọn của (baseband), T là loại cáp xoắn đôi (Twisted Pairs). Vì sử dụng cáp
xoắn đôi nên nó có thể chạy song công toàn phần (Full duplex).[2]

Hình 2.1Sợi cáp xoắn UTP-5 [3]

4


Luận văn tốt nghiệp
Một đầu phát tốc độ 10BASE-T sẽ phát hai điện áp khác biệt +2.5 V hoặc −2.5 V trên
một đôi dây. Mã Manchester.[2]

Hình 2.2 Dạng sóng được mã hóa Manchester trên đường truyền chuẩn 10BASE-T
Tiêu chuẩn tốc độ 10BASE-T không đưa ra yêu cầu chính xác cho loại cáp phải sử
dụng mà thay vào đó nó chỉ định các thông số kỹ thuật mà loại cáp sử dụng phải đạt được.
Điều này làm cho tiêu chuẩn 10BASE-T trên hệ thống cáp đồng xoắn đôi có thể không phù
hợp với các tiêu chuẩn chỉ định cho hệ thống điện. Một số đặc tính kỹ thuật cụ thể như thông
số suy hao (attenuation), trở kháng danh định (characteristic impedance), độ trễ truyền
(propagation delay) và các thông số nhiễu (noise). Các thiết bị kiểm tra cáp mạng được phổ
biến rộng rãi để kiểm tra mọi thông số kỹ thuật sau khi hệ thống cáp mạng được lắp đặt. Các
thông số kỹ thuật này phải đặt được yêu cầu của tiêu chuẩn với độ dài 100 mét trên đường
cáp đồng xoắn đôi không bọc giáp UTP (unshielded twisted-pair cable) có tiết diện lõi đồng
là 24AWG (0.511 mm).
2.1.2. Chuẩn 100BASE-TX
100Base-T còn được gọi là Fast Ethernet được IEEE công bố vào năm 1995 trong
chuẩn 802.3u , là chuẩn với tốc độ truyền tối đa đạt được là 100 Megabit trên giây (Mb/s). sử
dụng cáp xoắn đôi(Twisted Pairs) có thể chạy song công toàn phần. [4]
Ứng dụng 100BASE-TX được thiết kế với yêu cầu tối thiểu sử dụng cáp Category 5e
với chiều dài tối đa là 100 mét. [4]
Tương tự tốc độ 100BASE-TX sử dụng cùng một đôi dây như 10BASE-T, nhưng có
chất lượng truyền dẫn tốt hơn cho phép băng thông tín hiệu cao hơn.
5


Luận văn tốt nghiệp
Đầu phát tốc độ 100BASE-TX phát ra 3 mức điện áp là +1 V, 0 V, hoặc −1 V. Sử
dụng kiểu mã hóa 4B5B với mã đường dây MTL-3.[4]

Hình 2.3 Mã đường dây MTL-3[5]
Các tiêu chuẩn Ethernet cho cáp đồng xoắn đôi phần lớn sử dụng cáp được kết nối các
đôi dây thẳng "straight through"(chân 1 kết nối tới chân 1, chân 2 tới chân 2 và tương tự cho
các chân còn lại), nhưng cũng có vài trường hợp phải kết nối chéo "crossover" các đôi

dây(đôi nhận ở một đầu kết nối tới đôi phát ở đầu còn lại và ngược lại).
Thông thường để kết nối mạng Ethernet tốc độ 10- hoặc 100-Mbit/giây sử dụng tiêu
chuẩn T568A hoặc T568B. Hai tiêu chuẩn này khác nhau ở vị trí hoán đổi của hai đôi cáp
được sử dụng cho việc phát và nhận (TX/RX), nếu ta đấu một đầu cáp theo kiểu T568A và
đầu còn lại theo kiểu T568B thì ta sẽ có một sợi cáp chéo.

Hình 2.4 Kiểu đấu dây T568A và T568B [3]

Tốc độ 10BASE-T và 100BASE-TXchỉ yêu cầu sử dụng 2 đôi dây mà thôi, sử dụng
các chân 1, 2, 3, 6. Từ tốc độ 10BASE-T và 100BASE-TX chỉ cần 2 đôi dây và sợi cáp
Category 5 có tới 4 đôi dây nên có thể sử dụng 2 đôi dây còn lại cho một nốt mạng khác (tất
6


Luận văn tốt nghiệp
nhiên điều này không tuân theo một tiêu chuẩn nào) hoặc sử dụng các đôi dây này vào công
nghệ PoE (Power over Ethernet - Truyền điện nguồn qua dây mạng) (hoặc sử dụng trên cùng
một sợi cáp mạng 1 đường kết nối mạng và 2 đường điện thoại) thông qua sợi cáp Category 5
sử dụng 2 đôi cáp không cần thiết (chân 4–5, 7–8) trong cấu hình tốc độ 10- và 100Mbit/giây. Trong thực tế để có một hiệu suất tốt nhất đòi hỏi phải tách riêng các đôi cáp trong
tốc độ 10/100-Mbit/giây tại các hub, switche và các máy tính PC và không sử dụng các đôi
cáp thừa. Hơn nữa tốc độ 1000BASE-T (và 10GBASE-T) yêu cầu sử dụng cả 4 đôi cáp, chân
1, 2, 3, 6 cũng như 4, 5, 7, 8.[6]

Hình 2.5 Kiểu đấu dây của chuẩn 10/100BASE-T [3]

Kết nối 10BASE-T và 100BASE-TX trên máy tính PC sử dụng loại đầu nối được gọi
là đầu nối giao diện Medium Dependent Interfaces (MDI), phát tín hiệu trên các chân 1, 2 và
nhận tín hiệu trên các chân 3, 6 tới các thiết bị mạng sử dụng loại cáp thẳng "straightthrough". Trong công nghệ cũ nếu 2 thiết bị mạng cùng cấp (switch kết nối switch hoặc máy
tính kết nối máy tính) thường yêu cầu sử dụng cáp chéo "crossover" tại tốc độ 10 hoặc 100
Mbit/giây. Và thông thường một số đầu nối (trên switch) có thể sử dụng loại cáp thẳng

"straight-through" được đặt tên là MDI-X port và được xem như là một kết nối chéo
("internal crossover" hoặc "embedded crossover") có sẵn trong switch. Các cổng Hub và
switch đời cũ được kết nối chéo nội tại (internal crossovers) thường được đặt tên là cổng
7


Luận văn tốt nghiệp
"uplink" hoặc "X". Ví dụ, 3Com thường đặt tên các cổng này là 1X, 2X, và tương tự với các
cổng tiếp theo. Trong một vài trường hợp thì có một nút bấm cho phép chuyển đổi một cổng
mạng từ cổng thường thành cổng uplink.[6]
Ngày nay các card mạng Ethernet trong các máy tính đời mới có thể tự động nhận ra
có một máy tính khác được kết nối với mình bằng cáp thẳng "straight-through" trong khi yêu
cầu cần có một kết nối chéo "crossover" và khi đó nó sẽ tự động chuyển đổi cổng mạng của
mình thành cổng uplink. Phần lớn các switch đời mới có chức năng chuyển đổi chéo
"crossover" (gọi là "auto MDI-X" hoặc "auto-uplink") cho tất cả các cổng mạng, loại bỏ các
cổng switch "uplink" hoặc MDI/MDI-X, cho phép mọi cổng kết nối switch chỉ cần sử dụng
cáp thẳng "straight-through".
2.1.3. Chuẩn 100BASE-FX
Những công nghệ mới ra đời luôn thu hút được sự yêu thích của mọi người, tuy nhiên
vẫn có những công nghệ cũ được dùng tới ngày hôm nay. Tiêu biểu trong số đó là chuẩn
100BASE-FX.
Mặc dù được phát triển trong thời gian giữa năm 1990 [7] nhưng 100BASE-FX vẫn
được dùng cho tới ngày hôm nay, 13 năm sau đó, khi mà chúng ta đã có các đường truyền
Gbps hay 10Gbps. Tại sao? Một trong các nguyên nhân là 100BASE-T có một chuẩn khoảng
cách truyền dữ liệu khá xa : 2km trong khi Gigabit Ethernet có khoảng cách truyền dữ liệu
theo chuẩn là 550m còn 10 Gigabit thì khoảng cách truyền dữ liệu chỉ là 300m [7]
Công nghệ cáp quang mang lại những ưu thế vượt trội so với cáp đồng như: miễn
nhiễm điện từ, bảo mật và không thể bị nghe lén một cách dễ dàng được, không gây cháy nổ,
tiết kiệm không gian truyền dẫn, tiết kiệm chi phí hơn cáp đồng . Có hai loại cáp quang được
biết đến là single mode và multi mode trong đó, cáp multi mode thì rẻ hơn nhiều so với cáp

single mode mặc dù cáp single mode thì cho khả năng truyền dữ liệu xa hơn multi mode rất
nhiều và 100BASE –FX được đinh nghĩa trên việc sử dụng với cáp multi mode
Việc quy định chuẩn 100BASE-FX được truyền với khoảng cách xa nhất là 2km do
để phù hợp với chuẩn FDDI, một trong những chuẩn cũng được IEEE quy định. Nhưng FDDI
ra đời trước 100BASE-FX.
Ngày nay, các công ty thường dùng loại cáp single mode hơn trong việc bố trí cáp
quang trong hệ thống mạng của họ , vì họ muốn hệ thống làm việc trơn tru nhất và với tầm
8


Luận văn tốt nghiệp
khoảng cách xa nhất. Tuy nhiên không chỉ cáp single mode đắt hơn cáp multi mode mà giá
thành của các thiết bị sử dụng cáp single mode cũng đắt hơn các thiết bị quang sử dụng cáp
multi mode
100Base-FX là một phiên bản của Fast Ethernet nhưng sử dụng môi trường truyền
dẫn sợi quang thay vì sợi cáp đồng. Sử dụng bước sóng hồng ngoại 1300nm để truyền dữ liệu
trên hai sợi quang, một sợi truyền(TX) và một sợi nhận(RX). Chiều dài tối đa đối với chế độ
truyền bán song công là 412m và đối với chế độ song công toàn phần là 2km. [4]
100BASE-FX sử dụng cùng kiểu mã hóa 4B5B và mã đường dây NRZI .

Hình 2.6 Kiểu mã hóa NRZ-I
Chuẩn 100Base-Fx sử dụng các loại đầu kết nối SC, ST, LC hoặc MT-RJ thậm chí là
đầu MIC của chuẩn FDDI. Tuy nhiên đầu nối loại SC được khuyến khích dùng trong chuẩn
này.[4]

9


Luận văn tốt nghiệp

Hình 2.7 Các đầu nối cáp quang chuẩn 100BASE-FX
100BASE-FX không tương thích với chuẩn 10BASE-FL-phiên bản truyền dữ liệu 10
Mbps thông qua môi trường cáp quang.
2.1.4. Chuẩn FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
FDDI[8] là một chuẩn truyền dữ liệu trong mạng LAN, chuẩn này sử dụng phương
tiện vật lý là cáp quang để định nghĩa cho chuẩn tốc độ 100Mbps của mình mặc dù đã có lúc
chuẩn FDDI sử dụng cáp đồng để định nghĩa nó hay còn gọi là CDDI( Copper Distributed
Data Interface)
Chuẩn mạng LAN FDDI được phát triển bởi viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI –
American National Standards Institute). Hiện nay, nó là 1 chuẩn quốc tế và được định nghĩa
trong ISO 9314. Nó dựa trên cơ sở kiến trúc mạng vòng và hoạt động ở tốc độ truyền dữ liệu
là 100 Mbps. Giống như mạng token-ring, nó sử dụng vòng khép kín đôi để tăng cường sự tin
cậy. Sợi cáp quang đa lõi nối các trạm với nhau và tổng độ dài của vòng có thể lên đến 100
km. Có thể có tới 500 trạm (DTEs) có thể kết nối vào vòng và vì thế nó là mẫu lý tưởng cho
mạng xương sống (backbone).
a. Các thành phần của FDDI
FDDI xác đin phần vật lý và phần điều khiển truy cập môi trường truyền trong mô
hình tham chiếu OSI. Thực tế, FDDI không phải là một thành phần đơn lẻ mà nó là tập hợp
của bốn phần riêng biệt, mà từng phần có chức năng riêng. Kết hợp các thành phần trên

10


Luận văn tốt nghiệp
mang đến khả năng cung cấp kết nối tốc độ cao giữa các giao thức tầng cao như TCP/IP, IPX
với môi trường truyền như là cáp quang.
Bốn thành phần của FDDI là điều khiển truy cập đường truyền (MAC - Media Access
Control), giao thức tầng vật lý (PHY - Physical Layer Protocol), giao thức phụ thuộc môi
trường truyền vật lý (PMD - Physical-Medium Dependent) và thành phầ quản lý trạm (SMT
- Station Management). Thành phần MAC định nghĩa phương pháp điều khiển truy cập môi

trường truyền, nó bao gồm cả định dạng gói tin, điều khiển thẻ bài, cách đánh địa chỉ, thuật
toán để tính giá trị kiểm tra CRC (cyclic redundancy check) và các cơ chế khắc phục lỗi.
Thành phần PHY định nghĩa hàm mã hoá, giải mã dữ liệu, các yêu cầu thời gian, và các chức
năng khác. Thành phần PMD định nghĩa các đặc điểm của môi trường truyền, bao gồm các
liên kết sợi quang, các mức của nguồn, tốc độ lỗi bit, các thành phần quang học và các bộ kết
nối. Thành phần SMT định nghĩa cấu hình trạm FDDI, cấu hình vòng và các đặc trưng điều
khiển vòng bao gồm thêm vào và loại bỏ một trạm, khởi tạo vòng, cô lập lỗi và phục hồi
vòng, lập lịch và các số liệu thống kê.
FDDI tương tự như chuẩn IEEE 802.3 Ethernet và IEEE 802.5 Token Ring trong mối
quan hệ với mô hình OSI. Mục đích chính của nó là cung cấp kết nối giữa các tầng cao hơn
trong mô hình OSI với môi trường truyền. Hình sau chỉ ra bốn thành phần và quan hệ giữa
chúng với nhau và với với tầng LLC (Logical Link Control) được định nghĩa trong chuẩn
IEEE.

Hình 2.8 Quan hệ giữa các đặc tả FDDI với mô hình OSI
b. Môi trƣờng truyền của FDDI
11


Luận văn tốt nghiệp
FDDI sử dụng cáp quang học như là môi trường truyền thông chính, nhưng có
thể thực thi trên cáp đồng. FDDI sử dụng cáp đồng được đề cập đến như là CDDI(CopperDistributed Data Interface). Cáp quang có một vài ưu điểm so với cáp đồng, cụthể là hiệu
suất, tính tin cậy và tính bảo mật. Ưu điểm nổi bật nhất của cáp quang là nó không phát ra tín
hiệu điện tử. Với môi trường truyền vật lý có phát tín hiệu điện tử thì có thể bị mắc trộm và vì
thế có thể bị truy cập trái phép vào dữ liệu trên đường truyền. Hơn nữa, cáp quang sẽ không
bị nhiễu điện từ gây ra bởi giao thoa tần số radio và giao thoa điện từ. Về mặt khả năng thì
cáp quang hỗ trợ băng thông truyền cao hơn so với cáp đồng mặc dù những tiến bộ về công
nghệ gần đây đã nâng khả năng của cáp đồng lên tốc độ truyền thông 100 Mbps. Cuối cùng,
FDDI cho phép khoảng cách giữa hai trạm khi sử dụng cáp quang đa mốt (multimode) là 2
km, thậm chí với khoảng cách lớn hơn khi sửdụng cáp đơn mốt (single-mode)

Hình 2.9 Môi trường tryền là cáp quang của FDDI
FDDI định nghĩa hai loại cáp quang học: cáp single-mode và multimode. Mode ở đây
là một tia ánh sáng được cho vào sợi cáp với một góc chiếu riêng. Cáp multimode sửdụng
LED như là thiết bị phát sinh ánh sáng trong khi cáp single mode sử dụng tia laze.
Cáp multimode cho phép nhiều tia ánh sáng lan truyền trong sợi cáp. Tại vì các tia
ánh sáng này vào cáp với các góc khác nhau nên chúng sẽ ra đầu kia của cáp tại các thờiđiểm
khác nhau. Đặc điểm này được gọi là modal dispersion. Đặc điểm modal dispersion hạn
chế băng thông và khoảng cách. Và với lý do đấy, cáp multimode thườngđược sử dụng kết
nối trong một toà nhà hoặc trong môi trường tập trung về mặt địa lý.
Cáp single-mode cho phép chỉ có một tia sáng được lan truyền trong cáp. Do vậy,
modal dispersion không hiện diện trong cáp single-mode. Vì vậy, cáp single-mode có
khả năng đạt được hiệu suất cao hơn và có thể kết nối trong khoảng cách lớn hơn. Đấy là lý
do cáp single-mode được sử dụng để kết nối giữa các toà nhà và trong môi trường phân tán
về mặt địa lý.
c. Cấu trúc mạng FDDI
12