BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK )

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) vBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN ( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) Các bộ chuyển đổi tương tự sang số PADC sử dụng laserkhóa chế độ MLL và mô-đun Mach Zehnder MZM có thể giảm độtrễ của nguồn laser xuống mức dưới femto giây, cho phép các nhà thiết kế đẩy

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI TP HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 

***********

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI : DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK )

 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 18

 Lớp: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

 Khóa: 63

 Giảng viên hướng dẫn: Phan Tròn

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2025.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIPHÂN HIỆU TẠI TP HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 

***********

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI : DIGITAL RADIO OVER FIBRE FOR FBWAN

( FUTURE BROADBAND WIRELESS ACCESS NETWORK ) Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 18

Stt Họ và tên Mã số sinh viên

1 Nguyễn Thái Chương 6351020006

 Lớp: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

 Khóa: 63

 Giảng viên hướng dẫn: Phan Tròn

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2025.

  LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và truyền thông đang phát triểnmạnh mẽ, nhu cầu về băng thông rộng, tốc độ cao và khả năng truycập không dây ngày càng trở nên cấp thiết Các thế hệ mạng di độngmới như 5G và 6G đang hướng tới việc cung cấp dịch vụ kết nối tốc

độ cao với độ trễ cực thấp, phục vụ cho hàng tỷ thiết bị trong

Internet of Things (IoT), thành phố thông minh, xe tự hành và cácứng dụng công nghiệp số Để đạt được mục tiêu đó, một kiến trúc hạtầng mạng tiên tiến và linh hoạt là điều bắt buộc

Future Broadband Wireless Access Network (FBWAN) là một

hướng tiếp cận mới trong việc xây dựng các hệ thống truy cập

không dây băng rộng trong tương lai Một trong những thành phầncốt lõi để hiện thực hóa FBWAN chính là Digital Radio over Fibre(DRoF) – công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến số hóa qua mạng cápquang DRoF cho phép tách biệt phần xử lý tín hiệu trung tâm vàphần vô tuyến đầu cuối, tận dụng độ suy hao thấp và băng thông cựcrộng của sợi quang để mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến, đồng thờigiảm thiểu độ trễ và nhiễu xuyên kênh

Đề tài "Digital Radio over Fibre for FBWAN" tập trung vào việc tìmhiểu, mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống DRoF trong bốicảnh mạng truy cập không dây tương lai Thông qua việc xây dựng

mô hình mô phỏng trên MATLAB và OptiSystem, đề tài hướng tớiviệc phân tích chất lượng tín hiệu, suy hao truyền dẫn, và chỉ tiêuBER (Bit Error Rate) nhằm đánh giá khả năng ứng dụng thực tế củaDRoF trong các mạng viễn thông thế hệ mới

MỤC LỤC

 I.Giới thiệu………

II.Hệ thống ROF tương tự

2.1.Định nghĩa

2.2.Cấu trúc và hoạt động……….……… …

2.2.1 Ưu điểm của ARoF………

2.2.2 Nhược điểm của ARoF………

2.2.3 Các ứng dụng của ARoF………

III.Hệ thống ROF kỹ thuật số………

3.1 Chuyển đổi tương tự sang số quang học………

3.2 Trạm cơ sở………

IV.Mô phỏng và kết quả mô phỏng………

V.Kết luận……….…

I Giới thiệu

Định nghĩa

Digital Radio over Fibre (DRoF) for FBWAN (Fixed BroadbandWireless Access Network) là một công nghệ kết hợp giữa truyền dẫn vôtuyến và sợi quang để cung cấp mạng truy cập không dây băng thôngrộng cố định DRoF hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu vô tuyếnthành tín hiệu số, sau đó truyền qua sợi quang đến các trạm gốc hoặcăng-ten từ xa

Công nghệ Radio over Fibre (RoF) hiện đang nhận được sự chú ý lớnnhờ khả năng cung cấp các đầu thu anten đơn giản, tăng cường dunglượng và mở rộng vùng phủ sóng không dây Hệ thống RoF là kỹ thuậtđiều chế tần số vô tuyến (RF) lên một sóng mang quang học để phânphối qua mạng cáp quang Kỹ thuật RoF được coi là một giải pháp hiệuquả về chi phí và đáng tin cậy để phân phối các mạng truy cập khôngdây trong tương lai bằng cách sử dụng cáp quang với băng thông truyềntải rộng lớn Liên kết RoF được sử dụng trong các ứng dụng anten từ xa

để phân phối tín hiệu cho trạm gốc Microcell hoặc Picocell [1][2][3].Tín hiệu RF xuống được phân phối từ trạm trung tâm (CS) đến nhiềutrạm gốc (BS) được gọi là Điểm Truy Cập Vô Tuyến (RAP) qua các sợiquang Tín hiệu uplink nhận tại RAP được gửi trở lại CS để xử lý tínhiệu RoF có các tính năng chính sau:

1) nó trong suốt đối với băng thông hoặc các kỹ thuật điều chế

2) Cần các trạm gốc nhỏ và đơn giản

3) Có thể vận hành theo cách tập trung

Các thuê bao không dây mới đang đăng ký với nhu cầu ngày càng tăng

về dung lượng để chuyển dữ liệu với tốc độ cực cao lên tới 1 Gbps trở lên, trong khi quang phổ vô tuyến lại có hạn Yêu cầu phân bổ băngthông nhiều hơn này gây ra gánh nặng lớn cho quang phổ vô tuyến hiệntại và gây tắc nghẽn phổ ở các tần số vi sóng thấp hơn Hệ thống truyềnthông Sóng Millimetre (MM-Wave) cung cấp một cách giải quyết độcđáo cho những vấn đề này Xử lý tín hiệu số đã cách mạng hóa các hệthống truyền thông hiện đại bằng cách mang lại hiệu suất và khả năngthích ứng chưa từng có Vì các hệ thống số linh hoạt hơn và dễ dànggiao tiếp với các hệ thống khác, chúng cũng đáng tin cậy hơn và chốngnhiễu tốt hơn các hệ thống tương tự, đồng thời đạt được phạm vi độngtốt hơn so với các hệ thống tương tự Bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số và từ số sang tương tự (ADC và DAC) là cầu nối giữa thế giớitương tự và thế giới xử lý tín hiệu và xử lý dữ liệu số Trong một hệthống tương tự, băng thông bị giới hạn bởi hiệu suất của các thiết bị vàcác thành phần phụ sinh ra Nhiễu nhiệt do các thành phần chủ động vàthụ động tạo ra giới hạn phạm vi động của hệ thống tương tự Tỷ lệ giữatín hiệu tương tự tối đa có thể chấp nhận được và mức độ nhiễu xác địnhphạm vi động của hệ thống Việc chuyển đổi từ tương tự sang số băngrộng là một vấn đề quan trọng gặp phải trong các hệ thống truyền thôngbăng thông rộng và hệ thống radar Các hệ thống chuyển đổi tương tự sang số điện tử gần đây gặp phải các vấn đề như độ trễ của đồng hồ lấymẫu, thời gian ổn định của mạch giữ mẫu, tốc độ của bộ so sánh, sự sailệch trong ngưỡng transistor và giá trị thành phần thụ động Những hạnchế do tất cả các yếu tố này gây ra trở nên nghiêm trọng hơn ở các tần sốcao hơn Các bộ chuyển đổi tương tự sang số (PADC) sử dụng laserkhóa chế độ (MLL) và mô-đun Mach Zehnder (MZM) có thể giảm độtrễ của nguồn laser xuống mức dưới femto giây, cho phép các nhà thiết

kế đẩy băng thông phân giải lên nhiều bậc so với những gì các hệ thốnglấy mẫu điện tử hiện nay có thể đạt được

II Hệ thống ROF tương tự 

1.Định nghĩa

Một liên kết RoF (Radio over Fiber - Radio qua Sợi quang) tương tự (ARoF) bao gồm nguồn quang học, bộ điều chế, bộ khuếch đại quanghọc và bộ lọc, kênh quang học và đi-ốt quang học như một bộ thu, cùngvới bộ khuếch đại điện tử và bộ lọc Trong một số trường hợp, nguồnquang học được điều chế trực tiếp bởi tín hiệu RF, nhưng vì laser thường

là nguồn gây nhiễu và biến dạng đáng kể trong một liên kết radio qua sợiquang, nên đi-ốt laser thường thể hiện hành vi phi tuyến Khi nó đượcđiều khiển tốt vượt qua dòng ngưỡng của nó, mối quan hệ đầu vào/đầu

ra của nó có thể được mô hình hóa bởi chuỗi Volterra bậc 3 [6] Vì vậy,trong các hệ thống RoF gần đây, laser bán dẫn được sử dụng làm nguồnquang học và bộ điều chế ngoài Do đó, liên kết quang học tương tự chịu

sự phi tuyến của cả thành phần vi sóng và quang học tạo nên liên kếtquang học Thông thường, một bộ giao thoa Mach-Zehnder được chế tạo

từ LiNbO3 sẽ ấn tín hiệu RF lên cường độ quang học Ngoài ra, có thể

sử dụng một loạt các bộ điều chế khác

2.Cấu trúc và Hoạt động

Hệ thống ARoF bao gồm các thành phần chính sau:

Trạm trung tâm (CS): Là nơi tín hiệu vô tuyến ban đầu được tạo ra vàđiều chế Trạm này chịu trách nhiệm điều chế tín hiệu vô tuyến (RF) lênmột sóng mang quang học Sau khi điều chế, tín hiệu RF được chuyểnđổi thành tín hiệu quang và truyền qua cáp quang tới các trạm gốc(RAP)

Trạm gốc (RAP): Các trạm này nhận tín hiệu quang, chuyển đổi chúngtrở lại thành tín hiệu RF và phát sóng cho người dùng cuối Tín hiệu RFđược phân phối cho các thiết bị không dây trong vùng phủ sóng của trạmgốc.

Cáp quang: Là phương tiện truyền dẫn chính trong hệ thống ARoF, giúptruyền tín hiệu quang học từ trạm trung tâm đến các trạm gốc và ngượclại Cáp quang có khả năng truyền tải với băng thông cao, giúp duy trìchất lượng tín hiệu tốt trong suốt quá trình truyền

Ưu điểm của ARoF

Băng thông rộng: Hệ thống ARoF tận dụng khả năng truyền tải băngthông rất lớn của cáp quang, giúp cung cấp một mạng lưới không dây cókhả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao

Chi phí thấp và đơn giản: Các trạm gốc trong hệ thống ARoF có thiết kế đơn giản và nhỏ gọn, làm giảm chi phí và dễ dàng triển khai

Khả năng mở rộng: Hệ thống ARoF dễ dàng mở rộng để hỗ trợ số lượnglớn trạm gốc mà không gặp phải các vấn đề về băng thông hay nhiễusóng

Nhược điểm của ARoF

Giới hạn về khoảng cách truyền: Dù cáp quang có băng thông rất cao,nhưng khi tín hiệu RF được truyền dưới dạng tương tự qua cáp quang,việc suy giảm tín hiệu (attenuation) có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của

hệ thống khi khoảng cách truyền quá xa

Không linh hoạt như hệ thống số: Hệ thống ARoF chỉ có thể xử lý tínhiệu tương tự, điều này làm cho nó kém linh hoạt hơn trong việc áp dụngcác kỹ thuật xử lý tín hiệu số để tối ưu hóa hiệu suất mạng

Các Ứng Dụng của ARoF

Hệ thống ARoF chủ yếu được sử dụng trong các mạng không dây yêucầu băng thông cao và phạm vi phủ sóng rộng, như trong các ứng dụngmạng 4G và 5G Hệ thống này đặc biệt hữu ích trong các khu vực đô thịhoặc các khu vực có mật độ người dùng cao, nơi việc mở rộng và triểnkhai mạng không dây có thể gặp khó khăn do các yếu tố vật lý hoặc chiphí.

Tóm lại, ARoF là một giải pháp đơn giản và hiệu quả cho việc truyền tínhiệu vô tuyến qua cáp quang trong các ứng dụng không dây, mặc dù cómột số giới hạn về khoảng cách truyền và khả năng xử lý tín hiệu số

III Hệ thống ROF kỹ thuật số 

Liên kết số RoF (DRoF) có thể duy trì phạm vi động một cách độc lậphơn so với liên kết cáp quang và có thể sử dụng hạ tầng hiện tại để vậnchuyển tín hiệu radio đã số hóa Trong hệ thống này, tín hiệu RF tương

tự đã được số hóa bằng cách sử dụng PADC Với việc tạo ra dữ liệu số

và kỹ thuật phân kênh tỷ lệ, luồng dữ liệu được vận chuyển qua mạngcáp quang Trong thiết kế này, cả tín hiệu dữ liệu baseband và dữ liệu tínhiệu RF đã số hóa đều được vận chuyển qua mạng metro và mạng truycập bằng cách sử dụng kỹ thuật phân chia bước sóng Để bù đắp sự phântán sắc, hệ thống sử dụng sợi quang bù phân tán sắc

DAC quang học trong hệ thống RF chuyển tín hiệu quang học

số thành phiên bản tương tự của tín hiệu điều chế quang Tín hiệu RF được phát hiện bởi một photodiode tốc độ cao duy nhất Tín hiệu RF sau khi được xử lý bởi hệ thống xử lý tín hiệu RF điện tử đã được cung cấp cho anten phát sóng của trạm gốc.

A Chuyển đổi Tương tự sang Số Quang học

Hệ thống chuyển đổi tương tự sang số quang học (ADC) với khả nănglấy mẫu tốc độ cao và định lượng có rất nhiều ứng dụng trong cácmạch điện tử và hệ thống truyền thông xử lý tín hiệu tốc độ cao hiệnnay Hình 2 cho thấy kiến trúc hệ thống ADC quang học lấy mẫu vàđịnh lượng được đề xuất

Hình 2: Kiến trúc của ADC quang học

Công suất tín hiệu quang số hóa đã được phân tách thành 8 kênh vàđưa vào khối lấy mẫu và định lượng tín hiệu quang Trong khối này,các tín hiệu số hóa đã được xử lý, ghép kênh và kết hợp lại để truyềntải qua môi trường sợi quang đơn mode Trong kiến trúc này, ADCquang học 8 bit đã được thiết kế Để nghiên cứu hiệu suất của PADC,các tín hiệu quang đã định lượng được chuyển đổi thành tín hiệu điệnbằng cách sử dụng một mảng photodiode tốc độ cao

Mặc dù có sự đa dạng trong các ADC, hiệu suất của chúng có thểđược tóm tắt bằng một số ít tham số, đầu tiên là: độ phân giải đã nêu(số bit mỗi mẫu), thứ hai là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), thứ ba làdải động không có nhiễu (SFDR) và thứ tư là sự tiêu thụ công suất.SNR và SFDR là các tham số quan trọng nhất trong hiệu suất độngcho các ứng dụng tốc độ cao SNR và SFDR cung cấp một phép đochính xác hơn về hiệu suất của ADC so với số bit đã nêu SFDR là tỷ

lệ giữa biên độ tín hiệu một tần số và thành phần không phải tín hiệulớn nhất trong phổ quan tâm Phổ nhiễu bao gồm các đóng góp từ tất

cả các cơ chế lỗi hiện diện Những cơ chế lỗi này bao gồm nhiễu dođịnh lượng, mạch điện, cửa sổ lấy mẫu, không chắc chắn trong cửa sổlấy mẫu và sự mơ hồ của bộ so sánh Cơ chế lỗi duy nhất có mặttrong một ADC lý tưởng là định lượng

Q được ký hiệu là lỗi lượng tử, là sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự 

và tín hiệu số đã lấy mẫu, đây là bit có độ quan trọng thấp nhất (LSB)trong biểu diễn nhị phân của giá trị đó được cho bởi Phương trình 1

Q =V  FS

2 N 

Giá trị N thể hiện số bit phân giải của ADC và VFS là điện áp toàn dải.Trong thiết kế này, N = 8 bit và VFS = 1 Volt Do đó, Q = 125 mV Đểđơn giản hóa các phép tính, sai số lượng tử có thể được định nghĩa làmột hàm tuyến tính trong suốt một khoảng thời gian mẫu (T) Phươngtrình 2 biểu thị hàm sai số lượng tử và công suất nhiễu rms được cho bởiPhương trình 3

độ cao Để giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống, xung mẫu quang

đã được tái sử dụng tại trạm cơ sở để mẫu tín hiệu RF uplink Do đó,nhu cầu về nguồn sóng mang quang mới và xung mẫu đã được đáp ứng.Trong việc vận chuyển dữ liệu uplink, kỹ thuật tương tự cũng đã đượctriển khai

Hình 3: Hệ thống Trạm Cơ sở sử dụng PDAC

Bằng cách hiện thực hóa sơ đồ này, có thể sử dụng dung lượng phổ miễnphí của các mạng metro và mạng truy cập để vận chuyển lưu lượng dữ 

liệu không dây và có dây băng thông rộng Kỹ thuật này tập trung hóaquá trình xử lý tín hiệu, quản lý hệ thống và giám sát Do đó, mạngkhông dây có thể được tích hợp với các mạng quang hiện có, giúp giảmthiểu chi phí triển khai hệ thống mạng truy cập siêu băng thông trongtương lai và chi phí dịch vụ cho người dùng cuối.

VI Mô phỏng và kết quả mô phỏng

Trong phần này, các kết quả mô phỏng đã được thực hiện bằng môitrường Optiwave-Optisystem và Matlab được trình bày Theo các phéptính và mô phỏng, SNR của các tín hiệu đã lượng tử hóa là 49,92 dBm.Bằng cách chú ý đến kết quả mô phỏng được hiển thị trong Hình 4,SFDR và ENOB ở tốc độ mẫu 160 Gigasample/s lần lượt là 9,82 dB và1,63

Hình 4: Quang phổ công suất của tín hiệu điện tử số

Để chọn tần số mẫu tối ưu, hiệu suất của PADC đã được nghiên cứu chocác tần số mẫu khác nhau Hình 5 cho thấy sự biến đổi của ENOB vớitần số mẫu Độ phân giải ENOB tốt nhất được đánh giá ở tần số mẫu 80Gigasample/s, khoảng 6

Hình 5: Biến đổi ENOB theo tần số mẫu.

Vì hàm truyền của MZM vốn dĩ là phi tuyến tính, dải động đã đượcchuyển đổi thành ENOB và vẽ đồ thị theo các tần số mẫu của liên kết

RF Các mô phỏng cho thấy việc sử dụng một bộ điều chế phi tuyến tính

sẽ hạn chế nghiêm trọng độ phân giải PADC đối với các ứng dụng thựctế

Hình 6 cho thấy một chuỗi mẫu ngẫu nhiên của tín hiệu RF điều chế Biên độ Vô hướng (QAM), tín hiệu đã được lấy mẫu, và hai tín hiệuquang số hóa MSB và LSB Trong thiết kế này, việc lấy mẫu và số hóa

đã được thực hiện trong miền quang học Như được minh họa tronghình, xung mẫu quang học 80 GHz được tạo ra bởi một laser chế độkhóa ở bước sóng 1550 nm và tín hiệu RF 10 GHz, 64QAM đã đượcđưa vào bộ điều chế quang điện MZM như một thiết bị lấy mẫu quanghọc

Hình 6: (a) Một mẫu tín hiệu RF 64 QAM, 10 GHz, (b) Tín hiệu quang

đã lấy mẫu, (c) Tín hiệu quang của MSB, (d) Tín hiệu quang của LSB.Một yếu tố hạn chế khác đối với hiệu suất của PADC là ảnh hưởng của

độ dao động (jitter) của laser Nếu các xung laser không xảy ra chính xácvào thời điểm cần thiết, tín hiệu sẽ bị lấy mẫu sai thời gian, và do đó,

đầu ra số hóa sẽ khác với tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu lý tưởng không

có jitter

Để nghiên cứu hiệu suất của hệ thống radio số qua sợi quang (DRoF)được đề xuất, một mẫu dữ liệu ngẫu nhiên NRZ 900 Mbit/s đã được điềuchế ASK với sóng mang RF 10 GHz và được truyền qua hệ thống DRoF.Hình 7 cho thấy hiệu suất của hệ thống truyền tải với biểu đồ mắt của hệthống số nhận được Trong hình này, sự so sánh hiệu suất của tín hiệunhận được khi sử dụng hệ thống số và hệ thống tương tự đã được trìnhbày trên chiều dài sợi quang 35 km Trong hệ thống này, độ phân tánquang học của sợi quang đơn chế độ được giả định là khoảng 16ps/(nm.km) Bằng cách sử dụng sợi quang bù phân tán, độ phân tán đãđược giảm xuống còn 5 ps/(nm.km)

Hình 7 Sơ đồ mắt của tín hiệu điều chế ASK 900 Mbit/s với sóng mang

10 GHz qua chiều dài 35 km sợi quang đơn chế: (a) Hệ thống ARoF, (b)

Hình 8: Sơ đồ mắt của tín hiệu điều chế ASK 900 Mbit/s với sóng mang

10 GHz qua chiều dài 50 km sợi quang đơn chế: (a) Hệ thống ARoF, (b)

Hệ thống DRoF

%% Tạo dữ liệu nhị phân

dataBits = randi([0 1], numBits, 1);

%% QPSK điều chế bằng tay (Gray mapping)