kỹ thuật ofdm trong hệ thống thông tin quang

1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM Đối với các hệ thống truyền thông tốc độ cao, khi tốc độ ký hiệu symbol lớn hơn thời gia

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGUYỄN THANH TÚ

KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG & MẠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 ThS Đặng Lê Khoa

2 ThS Nguyễn Anh Vinh

Tp Hồ Chí Minh – năm 2010

LỜI CẢM ƠN

ời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô tại khoa Điện tử-Viễn thông cũng như ở trường ĐH – Khoa Học Tự Nhiên Tp HCM đã ngày đêm dạy dỗ, cung cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn chúng em sẽ được trang bị một hành trang tốt nhất trước khi bước vào đời Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo ThS Đặng Lê Khoa, người trực tiếp hướng dẫn và cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu quý giá, hướng dẫn chi tiết các bước xây dựng mô hình mô phỏng giúp em hoàn thành được đồ án này Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS Nguyễn Anh Vinh, đồng hướng dẫn, cũng cung cấp cho em rất nhiều tài liệu, kiến thức và sự góp

ý quý báu trong quá trình thực hiện đồ án

Con xin gửi lời cảm ơn đến Mẹ, người luôn động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này của con

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, những người luôn dành cho tôi sự yêu thương và luôn cổ vũ, động viên tôi trong những lúc khó khăn nhất

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô cùng các bạn

Tp HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Tú

L

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 4

1.3 Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 7

2.1 TÓM TẮT LỊCH SỬ OFDM 7

2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM 7

2.2.1 Ý tưởng 7

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số 9

2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 10

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial 10

2.3.2 Bộ Mapper và Demapper 11

2.3.3 Bộ IFFT và FFT 12

2.3.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI 14

2.3.5 Bộ Up-Converter và Down-Converter 18

2.3.6 Bộ cân bằng (Equalizer) 18

2.3.7 Dung lượng của hệ thống OFDM 19

2.4 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM 19

2.4.1 Ưu điểm 19

2.4.2 Nhược điểm 20

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21

3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21

3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 22 3.2.1 Bộ phát quang 22

3.2.2 Bộ thu quang 29

3.2.3 Kênh truyền quang 31

3.2.4 Bộ khuếch đại quang 33

3.3 CÁC HIỆU ỨNG TRUYỀN DẪN 36

3.3.1 Các hiệu ứng tuyến tính 36

3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến 40

3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 43

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDM TRÊN KÊNH TRUYỀN SỢI QUANG 46

4.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERRENT 46

4.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF 47

4.3 BỘ PHÁT QUANG 48

4.4 BỘ THU QUANG 49

4.5 HỆ THỐNG COHERRENT OFDM (CO-OFDM) 50

4.5.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang 51

4.5.2 Kỹ thuật tách sóng Coherrent 52

4.6 TỈ SỐ BIT LỖI BER TRONG HỆ THỐNG CO-OFDM 54

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 56

5.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM VÀ CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG 56

5.1.1 Bộ phát 57

5.1.2 Mô phỏng kênh truyền sợi quang 64

5.1.3 Bộ thu quang coherrent 70

5.1.4 Phương pháp ước lượng BER từ eye diagram 75

5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 77

5.2.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s 77

5.2.2 Hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s 78

5.2.3 Hệ thống CO – OFDM loại bỏ khoảng bảo vệ 81

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84

6.1 KẾT LUẬN 84

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

4G 4th Generation

ADC Analog Digital Converter

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

ASE Amplified Spontaneous Emission noise

ASK Amplitude-Shift Keying

BPSK Binary Phase Shift Keying

CO-OFDM Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Mutilplexing

DAB Digital Audio Broadcasting

DAC Digital to Analog Converter

DCF Dispersion-Compensating Fibers

DFB Distributed Feedback Lasers

DFT/IDFT Discrete Fourier Transform/ Invert Discrete Fourier Transform

DGD Differential Group Delay

DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestria

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier

FEC Forward Error Correction

FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT

ISI Inter-Symbol Interference

LAZER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LED Light Emitting Diode

MCM Multi-carrier Modulator

MZM Mach-Zehnder Modulator

NLSE Non Linear Schrödinger Equation

OFA Optical Fiber Amplifier

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM Orthogonal Frequency Division Mutilplexing

P/S Parallel to Serial converter

PAPR Peak-to-Average Power Ratio

PMD Polarization Mode Dispersion

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

RCP Remove Cyclic Prefix

RF Radio Frequency

S/P Serial to Parallel converter

SBS Stimulated Brillouin Scattering

SCM Single-Carrier Modulator

SNR Signal to Noise Ratio

SOA Optical Semiconductor Amplifier

SOA Optical Semiconductor Amplifier

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hinh 1 1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang 4

Hình 1 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa 5

Hình 2 1 Các sóng mang con trong miền thời gian và tần số 9

Hình 2 2 Phổ các sóng mang con trực giao 10

Hình 2 3 Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống OFDM trong miền RF 10

Hình 2 4 Bộ S/P và P/S 11

Hình 2 5 Bộ Mapper và Demapper 11

Hình 2 6 Bộ IFFT và FFT 12

Hình 2 7 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 14

Hình 2 8 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ 15

Hình 2 9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng 16

Hình 2 10 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix 16

Hình 2 11 Bộ A/D và D/A 17

Hình 2 12 Bộ Up-Converter và Down-Converter 18

Hình 3 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang 22

Hình 3 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang 23

Hình 3 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng 25

Hình 3 4 Cấu trúc của Lazer DFB 26

Hình 3 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator 27

Hình 3 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11] 28

Hình 3 7 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi 28

Hình 3 8 Sơ đồ khối bộ thu quang 29

Hình 3 9 Cáp sợi quang 32

Hình 3 10 (a) sợi đơn mode, (b) sợi đa mode SI, (c) sợi đa mode GI 32

Hình 3 11 (a) sợi SI, (b) sợi GI 33

Hình 3 12 (a) Cấu trúc chung bộ khuếch đại, (b) cấu trúc bộ EDFA 34

Hình 3 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang 37

Hình 3 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng quang 37

Hình 3 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang 38

Hình 3 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sóng 40

Hình 3 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến 41

Hình 3 18 Nguyên tắc tính BER dựa vào phân bố xác suất của bit „1‟ và bit „0‟ 44

Hình 4 1 Mô hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát 47

Hình 4 2 Mô hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu 48

Hình 4 3 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM 49

Hình 4 4 Mô hình bộ thu quang kết hợp 50

Hình 4 5 Mô hình hệ thống CO-OFDM 51

Hình 4 6 Tách sóng Cohereent Homodyne 54

Hình 5 1 Mô hình hệ thống CO – OFDM 57

Hình 5 2 Bộ phát quang 57

Hình 5 3 Điều chế tín hiệu OFDM 58

Hình 5 4 Tốc độ lấy mẫu thiết lập 24 GHz [Matlab Simulink] 59

Hình 5 5 Tốc độ hệ thống là 48 Gb/s sử dụng phép điều chế QAM 59

Hình 5 6 Sử dụng IFFT để tạo tín hiệu OFDM [Matlab Simulink] 60

Hình 5 7 Phần thực và phần ảo của tín hiệu trước khi đi vào bộ IFFT 61

Hình 5 8 Biểu diễn tín hiệu thực và ảo OFDM rời rạc trong miền thời gian 61

Hình 5 9 Phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM 62

Hình 5 10 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM 63

Hình 5 11 Bộ điều chế pha – phase modulator 63

Hình 5 12 Bộ dịch pha – phase shift block 64

Hình 5 13 Mô hình kênh truyền quang 65

Hình 5 14 Mô tả phương pháp S-SSF 68

Hình 5 15 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink 68

Hình 5 16 Mô hình bộ khuếch đại EDFA 69

Hình 5 17 Tín hiệu tại ngõ vào và ra tương ứng trên sợi quang 70

Hình 5 18 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX 71

Hình 5 19 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver 72

Hình 5 20 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver 72

Hình 5 21 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx 73

Hình 5 22 Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM 74

Hình 5 23 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM 74

Hình 5 24 Giản đồ chòm sao tương ứng với phía phát và phía thu 75

Hình 5 25 Ước lượng BER từ giản đồ mắt 76

Hình 5 26 Mối quan hệ giữa BER và Q 76

Hình 5 27 Giản đồ chòm sao tại bộ thu 77

Hình 5 28 Giản đồ mắt tại bộ thu 78

Hình 5 29 Sự phụ thuộc BER của hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF 79

Hình 5 30 BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang 80

Hình 5 31 Giản đồ chòm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ các khoảng „zero‟ 82

Hình 5 32 BER của hai hệ thống CO-OFDM và CO-OFDM đã bỏ khoảng bảo vệ 83

MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Các hệ thống truyền dẫn điện ngày càng rơi vào trạng thái „bão hòa‟, hay nói cách khác tốc độ cho phép của môi trường truyền dẫn điện chỉ nằm trong một giới hạn cho phép (hàng chục Gb/s) Trong khi đó, yêu cầu truyền dẫn của các mạng lưới viễn thông ngày nay đã lên tới hàng Tb/s và thậm chí hơn Việc ra đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần như vô hạn đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó [1] Ý tưởng dùng ánh sáng để truyền tin ra đời từ khoảng thế kỷ thứ XVI, tuy nhiên mãi đến những năm cuối thế kỷ XX các hệ thống thông tin quang đầu tiên mới được thương mại hóa Những năm đầu của thế kỷ 21, các hệ thống truyền thông quang WDM đã đạt mức

40 Gb/s, rồi sau đó là 1.6 Tb/s, 3.2 Tb/s…[1] Ta thấy, chỉ trong một thời gian rất ngắn, khi mà công nghệ sợi quang phát triển mạnh mẽ kèm theo các công nghệ khuếch đại tín hiệu quang tiên tiến ra đời thì các hệ thống truyền thông quang mới thật sự thể hiện được những khả năng vượt trội của nó

Khi khả năng truyền dẫn đã tạm được giải quyết nhờ sự ra đời của công nghệ truyền dẫn sợi quang thì tốc độ chuyển mạch của các thiết bị điện tử để thích ứng với công nghệ truyền thông tốc độ cao của sợi quang là điều cần thiết Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang với băng thông cực lớn, còn tín hiệu vẫn được xử lý, thực hiện ở trên nền điện tử đã có sẵn Việc lựa chọn công nghệ nào để nâng cao hiệu suất sử dụng cũng như khả năng thích ứng với hệ thống truyền dẫn sợi quang là điều quan trọng và cần thiết Các kỹ thuật ghép kênh vẫn được dùng cả trong miền điện lẫn miền quang nhằm sử dụng tốt hơn nữa tài nguyên sẵn có và nâng cao tốc độ cho cả hệ thống

Đề tài tiếp cận một kỹ thuật ghép kênh theo tần số tiên tiến để điều chế tín hiệu trong miền điện trước khi đưa vào kênh truyền quang để truyền đi Đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đây là kỹ thuật ghép kênh cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số, có thể giải vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra Tán sắc là hiện tượng gây ra giản

xung tín hiệu khi truyền trên kênh truyền quang làm giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn tín hiệu quang Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm giảm tốc độ của hệ thống Kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi sẽ làm cho thời gian mỗi symbol được kéo dài thêm, từ

đó có thể giảm được ảnh hưởng của tán sắc trong sợi quang Mục tiêu của đề tài là ứng dụng kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang Đây là sự kết hợp những ưu điểm của cả

kỹ thuật OFDM và hệ thống thông tin quang

Nội dung đề tài bao gồm 6 chương và được tóm tắt như sau:

 Chương 1 trình bày ý tưởng cũng như những những đặc điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM và kênh truyền sợi quang Bên cạnh đó, trong chương này đề tài cũng nêu lên ý tưởng chính

 Chương 2 trình bày các vần đề lý thuyết cơ bản của kỹ thuật ghép kênh OFDM

 Chương 3 trình bày chi tiết một hệ thống thông tin quang đơn kênh điển hình, từ

đó đi vào phân tích các ảnh hưởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang

 Chương 4 trình bày về hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền trên kênh truyền sợi quang Trong chương này, chủ yếu tập trung vào xây dựng, phân tích nguyên lý hệ thống CO-OFDM (Coherent Optical OFDM)

 Chương 5 mô phỏng hệ thống CO-OFDM Đây là chương phân tích các mô hình trong hệ thống như bộ thu, bộ nhận và kênh truyền sợi quang, qua đó trong chương này cũng trình bày một số kết quả mà đề tài đã thực hiện được

 Chương 6 là phần kết luận của đề tài Trên cơ sở các kết quả đạt được, đề tài đưa

ra các hướng có thể tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nội dung chính của chương 1 trình bày sơ lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, cũng như tiềm năng của các hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai Bên cạnh đó, trong chương cũng trình bày một cách tổng quan những đặc điểm nổi trội của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Đây là cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Các hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản nhất là các hệ thống nhằm truyền tín hiệu từ đầu này đến đầu kia và các hệ thống truyền thông quang cũng không nằm ngoài nguyên lý cơ bản đó Hệ thống thông tin quang là hệ thống sử dụng ánh sáng

để truyền tải thông tin Các hệ thống này được phát triển rất nhanh và đang được ứng dụng rộng rãi trong các mạng truyền dẫn từ những năm 1980 [4] Trong những năm gần đây, các hệ thống truyền thông quang đã có những tiến bộ vượt bậc, ngày càng đóng vai trò chủ đạo trong các hệ thống truyền dẫn đường dài, tốc độ cao và tỉ lệ lỗi thấp Sau đây

là một vài cột mốc quan trọng của sự phát triển hệ thống truyền thông quang [1]:

 1790: Clau De Chappe, kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó Tin tức vượt qua chặng đường 200 km trong vòng 15 phút

 1870: John Tyndall nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần

 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công

 1966: Charles H.kao và Georce A.Hockham, hai kĩ sư phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh, đề xuất dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao quá lớn (ở khoảng 1000dB/Km)

 1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm

 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km]

 1983: Sợi đơn mode (SM) được xuất xưởng tại Mỹ

Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn khoảng 0.2 dB/km ở bước sóng 1550 nm và một số nghiên cứu gần đây cho biết thì sợi dẫn quang đã đạt mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao dưới 0.154 dB/km [1][4]

Tốc độ đạt được trong các mạng truyền thông quang là rất lớn, hàng chục đến hàng trăm Gb/s thậm chí hàng chục Tb/s Hình 1.1 cho ta thấy, vào những năm 1995 thì hệ thống quang WDM đã thương mại hóa với tốc độ đạt 40 Gb/s Các hệ thống ghép kênh WDM đã được nghiên cứu và có rất nhiều kết quả thực nghiệm với tốc độ lên đến hàng Tb/s vào những năm cuối của thế kỷ XIX [1]

Hinh 1 1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM

Đối với các hệ thống truyền thông tốc độ cao, khi tốc độ ký hiệu (symbol) lớn hơn thời gian trễ của kênh truyền thì hệ thống sẽ bị can nhiễu liên ký hiệu (ISI) Nếu hệ thống sử dụng là đơn sóng mang thì tốc độ ký hiệu trở nên quá ngắn để đáp ứng được tốc độ cao Phương pháp sử dụng kỹ thuật đa sóng mang có hiệu quả tốt khi truyền dẫn

có tốc độ cao bằng cách truyền dữ liệu trên nhiều luồng song song có tốc độ thấp hơn OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao, không những đáp ứng được với hệ thống tốc độ cao mà còn sử dụng phổ tần hiệu quả do tính trực giao giữa các sóng mang con [1]

Hình 1 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã được IEEE chuẩn hóa OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến đã được biết đến rộng rãi trong các hệ thống truyền thông số như: truyền thanh số (DAB), truyền hình số (DVB), mạng cục bộ không dây IEEE 802.11 a/g/n (WiFi), mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.16 (WiMAX) [2][5]… Bên cạnh đó, truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) cũng hướng đến sử dụng kỹ thuật OFDM [2] Hình 1.2 là một số chuẩn đã sử dụng kỹ thuật OFDM

Những ưu điểm vượt trội mà kỹ thuật OFDM mang lại như: (1) Hiệu suất sử dụng phổ tần cao nhờ tính trực giao của các sóng mang con, (2) khả năng chống nhiễu xuyên liên ký tự ISI nhờ sử dụng khoảng bảo vệ CP (Cyclic Prefix) Với những ưu điểm nổi bật như trên, kỹ thuật OFDM đã và đang được tiếp tục nghiên cứu, cải tiến ở nhiều nơi trên thế giới [2]

1.3 Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, ý tưởng đưa kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trước khi đưa vào kênh truyền sợi quang được quan tâm Kênh truyền sợi quang là kênh truyền có tốc độ rất cao (lên đến hàng Tb/s), ít bị tác động bởi nhiễu và gần như không

bị tác động bởi điện từ trường, suy hao thấp (< 0.2 dB/km) [4], tác động của kênh truyền

có thể xem như bất biến theo thời gian Do đó hứa hẹn trong tương lai gần, các hệ thống truyền dẫn sợi quang sẽ thay thế toàn bộ các hệ thống mạng đường trục hiện nay Trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang, ngoài suy hao thì yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu truyền trên đó là các loại tán sắc (tán sắc vận tốc nhóm – GVD, tán sắc phân cực mode – PMD) [4], và các ảnh hưởng của phi tuyến khi công suất quang đủ lớn Ảnh hưởng của tán sắc nói chung là làm giãn độ rộng xung ngõ ra, gây nên nhiễu ISI Đối với các hệ thống tốc độ cao (trên 10 Gb/s) tác động của tán sắc là rất đáng kể, làm giảm khoảng cách truyền dẫn cũng như chi phí lắp đặt thiết bị bù tán sắc sau mỗi chặng Việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào các hệ thống quang đã được thực nghiệm chứng minh là giảm được các tác động do tán sắc gây ra, từ đó tăng khoảng cách truyền dẫn và giảm chi phí lắp đặt các trạm lặp, trạm bù [8]…

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, mô phỏng bằng Matlab Simulink một hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trước khi được truyền trên kênh truyền sợi quang Qua đó, đề tài chứng tỏ được những ưu điểm khi đưa kỹ thuật OFDM vào các hệ thống truyền dẫn quang như tăng tốc độ truyền dẫn, khả năng giải quyết ISI khi so sánh với hệ thống đơn sóng mang ở cùng một tốc độ Cuối cùng là những ý tưởng cải tiến để nâng cao hơn nữa hiệu suất sử dụng băng tần như giảm số

“zero” bảo vệ ở hai biên, giảm số pilot (tín hiệu biết trước để ước lượng đáp ứng kênh truyền)…

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

Chương này trình bày nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật OFDM, các thành phần trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM Cuối chương, đề tài phân tích ưu điểm

và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

2.1 TÓM TẮT LỊCH SỬ OFDM

Mặc dù kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 1950, nhưng hệ thống không thể thực hiện vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc thực hiên hệ thống chưa phát triển [7] Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh,

kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự [6]

Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động

Đến những năm 1990 kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB [6]

Những năm gần đầy kỹ thuật OFDM đã được sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G [2]

2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM

2.2.1 Ý tưởng

Ý tưởng kỹ thuật OFDM là truyền dẫn đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và giúp chuyển đổi kênh fading chọn lọc thành kênh fading phẳng Việc xếp

chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần đƣợc cấp phát dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ tần rất cao

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi đƣợc tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (nhiễu ICI) và miền thời gian (nhiễu ISI) Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con Đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ƣu việt của VLSI

Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi [5] tr.25:

∫ ( ) ( ) ( ) 2 (2 1)

Và trong OFDM, tập các sóng mang con đƣợc truyền có thể đƣợc viết là:

( ) ( ) (2 2) Trong đó: √ (2 3), và là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (2.1)

Từ (2.4) ta thấy, nếu nhƣ các sóng mang con liên tiếp cách nhau một khoảng bằng

1/T, thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng chu kỳ symbol T

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số

Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời gian một symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol Hình 2.1 biểu diễn sự trực giao của các sóng mang con trong miền thời gian và tần số

Hình 2 1 Các sóng mang con trong miền thời gian và tần số Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó

Để dễ hình dung, ta hãy xem phổ 5 sóng mang con trực giao như ở Hình 2.2, mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng „null‟ tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như Hình 2.2, mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu được lấy mẫu tại các giá trị

„null‟ như trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị „null‟ của tất cả các subcarrier khác

Hình 2 2 Phổ các sóng mang con trực giao 2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM

Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối thu phát ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM điển hình Theo đó, dưới đây trình bày vắn tắt chức năng các khối [6]

Hình 2 3 Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống OFDM trong miền RF

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc

Serial to

Parallel

Converter

Signal Mapper IFFT

Parallel

To Serial Converter

Guard Interval Insertion

D/A &

Low pass Filter

A/D Guard

Interval Removal

Serial to Parallel Converter FFT

Equalizer Signal

độ đủ thấp, để băng thơng sĩng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong

khoảng băng thơng đĩ cĩ thể xem là phẳng

Hình 2 4 Bộ S/P và P/S Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất Hình 2.6 mơ tả

bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và từ song song sang nối tiếp

2.3.2 Bộ Mapper và Demapper

Hình 2 5 Bộ Mapper và Demapper Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M = 2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chịm sao (constellation) Bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong giản đồ chịm sao thành symbol b bit tương ứng Các phép điều chế cĩ thể cĩ như:

 BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 00 hoặc

Parallel

To Serial Converter

Serial to Parallel Converter

1 2 N

1 2 N

1 2

N

1 2

N

Dữ liệu song song

Dữ liệu nối tiếp

Dữ liệu song song

Dữ liệu nối tiếp

S T

S T

P T

P T

P T

P T

Signal Demapper

1800, tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb

 QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit), Baud = Rb/ 2

 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3

 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4

2.3.3 Bộ IFFT và FFT

Hình 2 6 Bộ IFFT và FFT OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng

để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ [6]

Ta gọi: Chuỗi tín hiệu vào ( ) Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là ∆f Chu kỳ của một Symbol OFDM là Ts Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0+ k∆f Khi đó, tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng [6]:

Nếu lấy mẫu tín hiệu băng gốc với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.6) được viết lại như sau:

Phương trình (2.8) chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng

có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Ở đầu thu, symbol ~ ~ ~

0 , 1 , , N 1

x x x 

 chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu

OFDM x(t) trong miền thời gian Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến đổi FFT được áp dụng cho symbol x~0,x~1, ,x N~1

Hình 2 7 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal

Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI

 ISI (Inter-Symbol Interference): nhiễu giao thoa liên ký tự, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol ts của các frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian) [7]

 ICI (Inter-Carrier Interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, được định nghĩa

là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchannels) của cùng một frame FFT (trong miền tấn số) [7]

Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập tần số của các kênh phụ [2] Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng

số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức là độ rộng của một symbol có ích ts sẽ lớn hơn trải trễ của kênh truyền Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu, bộ Guard interval Insertion (Hình 2.8) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng

Guard Interval Insertion

symbol có ích ts mà vẫn giữa nguyên số sóng mang Bộ Guard Interval Insertion sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ gồm q mẫu vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol tổng cộng sẽ là:

(2 10)

Để hình dung việc chèn khoảng bảo vệ, ta xét các trường hợp sau [5] tr.37:

Hình 2.8 cho thấy tín hiệu không có khoảng bảo vệ nên tín hiệu trễ từ symbol i-1, lấn sang symbol i gây nên ISI

Hình 2.9, tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ rỗng đủ lớn so với trải trễ hiệu dụng của kênh truyền thì nhiễu ISI sẽ được loại bỏ Tuy nhiên khoảng bảo vệ rỗng

sẽ gây nên sự thay đổi đột ngột của tín hiệu làm cho phổ tín hiệu ở đầu thu thay đổi

so với phổ ban đầu sau IFFT ở phần phát, gây mất tính trực giao giữa chúng

Hình 2.10, tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nhằm duy trì tính trực giao do bộ IFFT tạo ra Nếu chiều dài q mẫu được chèn vào symbol là lớn hơn thời gian trễ lớn nhất của kênh truyền thì hiện tượng ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn

Hình 2 8 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ

Tín hieäu treã

S

T

S

t

Hình 2 9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng

Hình 2 10 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix

Giả sử kênh truyền có trải trể lớn nhất là ( chính là khoảng thời gian lấy mẫu của tín hiệu thời gian liên tục x(t)), kênh truyền sẽ trải ra thêm q mẫu q mẫu cuối của symbol xn là [xn-q, xn-q+1,…, xn-1] sẽ đƣợc chèn vào phần đầu của xn để tạo thành

Tín hieäu mong muoán

Tín hieäu treã

Tín hieäu mong muoán

Tín hieäu treã Symbol i-1 Symbol i

symbol sn = [xn-q, xn-q+1,…, xn-1, x0, x1,…, xn-1], độ rộng khi này là:

(2 11) Symbol sn sẽ được đưa vào bộ D/A để tái tạo tín hiệu thời gian s(t)

Giả sử kênh truyền có đáp ứng xung c(t), tín hiệu tại phía thu sẽ là

( ) ( ) ( ) (2 12)

Ký hiệu rn = [r0, r1,… rN+q-1] là các mẫu rời rạc khi lấy mẫu r(t) tại các thời điểm Bộ Guard Interval Removal (Hình 2.13) ở phía thu sẽ loại bỏ q mẫu đầu tiên bị ISI của rn thu được symbol x~0,x~1, ,x N~1

  Sau đó tín hiệu số rời rạc sẽ được đưa vào bộ FFT để lấy lại chuỗi dữ liệu ban đầu

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn,

và dùng bộ cân bằng kênh dựa vào các ký hiệu pilot Các pilot giúp cho việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI

2.4.5 Bộ biến đổi D/A và A/D

Hình 2 11 Bộ A/D và D/A Chuỗi symbol xn sau khi được chèn khoảng bảo vệ cho chuỗi sn, sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp tạo ra tín hiệu liên tục s(t)

D/A &

Low pass Filter

để đưa vào kênh truyền

Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được r(t), cho ra tín hiệu số rời rạc rn, sau đó rn sẽ được cho qua bộ Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ

2.3.5 Bộ Up-Converter và Down-Converter

Đối với kênh truyền vô tuyến, sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) được đưa lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter tạo thành tín hiệu sRF(t) để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian Ở phía thu, tín hiệu rRF(t) thu được từ anten phát sẽ được chuyển lại tín hiệu tần số băng gốc r(t) nhờ bộ Down-Converter

Hình 2 12 Bộ Up-Converter và Down-Converter 2.3.6 Bộ cân bằng (Equalizer)

Do các kênh sóng mang phụ có băng thông hẹp chỉ chịu fading phẳng, nên một

bộ Equalizer đơn giản được sử dụng nhằm tối ưu tín hiệu rời rạc trước khi cho qua bộ giải điều chế số de-modulator hay de-mapper, để giảm bớt tỉ số bit lỗi BER của hệ thống Trong đề tài, bộ cân bằng dựa trên thuật toán nội suy bậc một được sử dụng Ý tưởng là dựa vào các pilot để nội suy ra toàn bộ đáp ứng của kênh truyền quang tương ứng từ đó sử dụng các biện pháp bù kênh truyền

Ngoài ra để cải thiện BER người ta còn sử dụng thêm các khối FEC (Forward

G



Converter

Up- Converter

Error Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hoán đổi vị trí biến các bit lỗi dạng chùm thành các bit đơn để FEC có thể sửa được [2]

2.3.7 Dung lượng của hệ thống OFDM

Xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…)

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym là thời gian symbol, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian symbol OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau [7]:

2.4 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM

2.4.1 Ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được

Nó cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ,

do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau

mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiểu số

bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT

2.4.2 Nhược điểm

Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn [7] Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC Một nhược điểm khác của kỹ thuật này là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồng thời hệ thống OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác [7]

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Nội dung chương này chủ yếu tập trung vào phân tích các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin sợi quang bao gồm bộ phát quang, sợi quang, và bộ thu quang Bên cạnh đó, trong chương này đề tài sẽ trình bày các ảnh hưởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang truyền trên nó Cuối cùng, đề tài đưa ra phương pháp ước lượng BER cho hệ thống quang dựa vào nguyên tắc xác suất thống kê

3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Cách đây 20 năm, các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, khoảng 0,154 dB/km [1] tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn ba thập niên qua Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang, các loại cáp sợi quang mới, các bộ khuếch đại với mức độ nhiễu thấp cũng như băng tần hoạt động rộng, bộ thu quang… để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại (như suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn rất lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao )[4]

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai Các hệ thống thông tin quang

đã được triển khai thử nghiệm thành công với tốc độ đạt hàng Tb/s mở ra một thời đại mới trong công nghệ truyền dẫn

Việc hiểu rõ ảnh hưởng của kênh truyền quang lên tín hiệu được truyền trên nó là quan trọng để có thể đưa kỹ thuật điều chế OFDM vào hệ thống thông tin quang Theo

đó, chương này đề tài trình bày những đặc tính cơ bản của một hệ thống thông tin quang điển hình, đi vào phân tích một số ảnh hưởng của kênh truyền quang lên tín hiệu quang được truyền trong nó, và cuối cùng đưa ra phương pháp đánh giá chất lượng cho hệ thống thông tin quang

3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Hình 3 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang Hình 3.1 [4] tr.15 biểu diễn sơ đồ tổng quát các thành phần cơ bản nhất đối với một hệ thống thông tin sợi quang Tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như là từ máy điện thoại, máy fax, máy tính… được chuyển thành tín hiệu quang nhờ bộ phát quang (Optical transmitter) Quá trình ngược lại, tức là chuyển đổi tín hiệu

từ miền quang sang miền điện được bộ thu quang (Optical receiver) thực hiện Cáp sợi quang chính là thành phần quan trọng nhất trong mạng truyền thông quang bởi vì chúng đóng vai trò như là kênh truyền (communication chanel) để truyền tín hiệu quang từ nguồn tới đích

3.2.1 Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò nhận tín hiệu điện được đưa đến, chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu quang Hay nói cách khác, bộ phát quang có chức năng chuyển tín hiệu từ miền điện sang miền quang, và đưa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang) Cấu trúc cơ bản của một bộ phát quang được mô tả như Hình 3.2 [4] tr.17

Bộ phát quang như mô tả ở Hình 3.2 bao gồm ba thành phần cơ bản như sau: (1) nguồn quang (Optical source) là Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) hoặc

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), (2) bộ điều chế (Modulator) và (3) bộ ghép kênh (channel coupler) dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đã điều chế vào kênh truyền quang

Hình 3 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang Công suất phóng vào sợi quang (launched power) là một thông số quan trọng cần được xem xét khi thiết kế Công suất càng lớn thì khoảng cách giữa các trạm lặp (repeater) hay giữa các bộ khuếch đại (amplifier) trên đường truyền càng dài Tuy nhiên, khi càng tăng công suất phóng vào sợi quang thì ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến lên tín hiệu truyền trên sợi quang càng tăng [9] Vì thế, công suất này chỉ nằm trong một giới hạn cho phép sao cho ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là có thể chấp nhận được và số trạm lặp là ít nhất có thể Đơn vị thường để đo mức công suất này

là “dBm” với mức công suất tham chiếu là 1 mW [4]:

( ) .

/ (3 1) Đối với LED, công suất phóng vào sợi quang tương đối thấp ( ) nhưng đối với LAZER thì mức công suất này có thể đạt 10 dBm Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền thông quang đều sử dụng Lazer Tốc độ bit có thể đạt được khi sử dụng nguồn quang Lazer trong các hệ thống Viễn thông hiện nay là 40 Gb/s/channel

 Nguồn quang

Loại nguồn quang được sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn Như đã đề cập trên, có hai loại nguồn quang được sử dụng chính đó là LED và

Lazer Tuy nhiên, không phải chất bán dẫn nào cũng được sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thông tin quang Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang

Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:

 Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao

 Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính

 Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang

 Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này

Ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải chỉ tồn tại ở một bước sóng nhất định mà tại một khoảng bước sóng Đây chính là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt Thông thường Diot phát quang LED sẽ có độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhưng lại rẻ hơn Cho nên tùy ứng dụng, thiết kế cụ thể mà người ta chọn sử dụng LED hay Lazer [1]

Trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ưu Đề tài trình bày cả lý thuyết lẫn mô phỏng nguồn quang sử dụng là Lazer,

cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers)

Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4]

Lazer DFB được ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4] Về cơ bản, Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng: (1) Hiện tượng phát

xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser Khi xảy ra hiện

tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.4 (c)) Các photon này được tạo

ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực) Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại (2) Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được [4] tr.78

Hình 3 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng (a) hấp thụ (b) phát xạ tự phát (c) phát xạ kích thích Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên Hình 3.4 Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser Sóng ánh sánh phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng có thể xảy ra là bước sóng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100:

/ / (3 2) Trong đó: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, nav là chiết suất t r u n g b ì n h của cách tử

Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng

tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser được phản xạ có bước sóng thỏa điều kiện Bragg Kết quả là, laser DFB chỉ phát

xạ ra ánh sáng có bước sóng λB thỏa điều kiện Bragg Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao

Hình 3 4 Cấu trúc của Lazer DFB

 Bộ điều chế quang (modulator)

Bộ điều chế quang nhằm đưa thông tin cần truyền lên sóng mang quang Có hai kiểu điều chế quang thường được sử dụng đó là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngoài (external modulator) [11] Mỗi dạng điều chế đều có ưu và nhược điểm riêng Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ vừa phải (dưới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp được sử dụng Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tượng dịch tần số (frequency chirp) [11] Để khắc phục nhược điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì người ta dùng bộ điều chế ngoài thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao Đề tài sẽ đi vào phân tích, mô phỏng bộ điều chế ngoài, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator)

Cấu trúc bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder MZM

Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như Hình 3.5 [11] Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường

độ dòng phân cực hay nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels [17] (là hiệu ứng mà ở đó chiết suất ánh sáng của môi trường biến đổi theo điện trường áp dụng lên môi trường đó Khi chiết suất ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế đó) Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và được cho bởi công thức [11]:

(3 3) Trong đó: là điện thế phân cực cho MZM là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng bị dịch 1800

Như vậy, pha của sóng mang quang sẽ bị dịch đi một góc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh MZM được ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ

Có hai cách phân cực cho bộ MZM đó là phân cực đơn (single drive) và phân cực đôi (dual drive)

Hình 3 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator Hình 3.6 mô tả bộ MZM phân cực đơn Trong kiểu phân cực này, chỉ có

một nhánh MZM được phân cực Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh,

Hình 3 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11]

Ta thấy, khi , khi Như vậy, tùy vào điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đế (hay từ trạng thái ON đến OFF)

Hình 3.7 mô tả bộ MZM phân cực đôi [11] Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V1(t)=-V2(t))

Hình 3 7 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi

Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của cả hai nhánh như trường hợp phân cực đơn

( ) (3 5)

Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK [11]…

 Bộ ghép kênh chanel coupler

Thành phần chính của bộ ghép kênh là một vi thấu kính (Microlen) [4] dùng để hội tụ ánh sáng sau khi được điều chế và sợi quang Nhằm nâng cao hiệu suất đưa ánh sáng vào sợi quang

3.2.2 Bộ thu quang

Bộ thu quang có chức năng nhận tín hiệu quang từ sợi quang, sau đó chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, xử lý và khôi phục dạng tín hiệu điện này

Nguyên lý hoạt động của bộ thu quang dựa trên hiện tượng quang điện [4] tr.133,

và được chia làm hai loại Loại thứ nhất dựa vào hiện tượng quang điện ngoài (các điện

tử thoát khỏi bề mặt kim loại bằng cách hấp thụ năng lượng từ dòng photon tới) Loại thứ hai hoạt động dựa vào hiệu ứng quang nội (là quá trình tạo ra các hạt mang điện tự

do điện tử-lỗ trống từ các mối nối bán dẫn bằng việc hấp thụ năng lượng dòng photon tới), photodiode mối nối PN, photodiode PIN, photodiode thác lũ APD hoạt động dựa vào nguyên lý của loại thứ hai [1]

Hình 3 8 Sơ đồ khối bộ thu quang Hình 3.8 [4] tr.18 mô tả sơ đồ khối cơ bản bộ thu quang Về cơ bản, bộ thu quang