Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDMRoF

Chương 2 Hệ thống truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang – Radio over Fiber: Chương này sẽ giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang RoF, bao gồm định nghĩa, các thành phần

LỜI NÓI ĐẦU

Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ Yêu cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ gia tăng khác) khiến cho dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng Sự gia tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các

tế bào vô tuyến nhỏ hơn Nhưng các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần một số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống

Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đang trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm

mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ Tuy rằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thông rộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được Chính vì vậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng một cách hiệu quả

Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng là kết hợp với kĩ thuật truy nhập bằng sợi quang Kĩ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đợi và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai Mặt khác, chúng ta đều biết kĩ thuật OFDM quang là một kĩ thuật phổ biến với rất nhiều ưu điểm Do đó việc kết hợp OFDM quang và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng

“Đánh giá hiệu năng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF” là nội dung chính

của chuyên đề Cấu trúc chuyên đề như sau:

Chương 1 Công nghệ OFDM quang:

Chương 2 nêu ra khái niệm, định nghĩa, các đặc điểm cũng như ưu nhược điểm của

kỹ thuật điều chế OFDM Ngoài ra, còn giới thiệu về nguyên lý hoạt động của hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM bao gồm mô hình toán học, sơ đồ và thông số của hệ thống

Chương 2 Hệ thống truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang – Radio over Fiber:

Chương này sẽ giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến trên sợi quang RoF, bao gồm định nghĩa, các thành phần cơ bản, kỹ thuật truyền dẫn, ưu nhược điểm và một số ứng dụng của hệ thống sử dụng kỹ thuật RoF

Chương 3 Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF:

Chương này trình bày về hệ thống truyền dẫn OFDM-RoF thông qua sơ đồ hệ thống cũng như sơ đồ nguyên lý Và thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF

OFDM-ROF LỜI NÓI ĐẦU

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên môn nên chuyên đề của chúng em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy để chuyên đề được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 2 năm 2016 Nhóm sinh viên

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG 5

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF 19

2.3 Các ưu điểm của RoF 41

2.3.1 Suy hao thấp 41

2.3.2 Băng thông lớn 42

2.3.3 Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến 42

2.3.4 Lắp đặt và bảo trì đơn giản 42

2.3.5 Giảm công suất tiêu thụ 43

2.3.6 Phân bổ tài nguyên linh hoạt 43

2.4 Các hạn chế của RoF 43

2.5 Ứng dụng của hệ thống RoF 44

2.5.1 Mạng tế bào 44

2.5.2 Thông tin vệ tính 44

2.5.3 Các dịch vụ băng rộng di động 44

2.5.4 Mạng cục bộ không dây (WLAN) 44

2.5.5 Mạng cho các phương tiện giao thông 45

2.6 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF .47

3.2.2 Ứng dụng của OFDM trong RoF 54

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG 5

OFDM-RoF MỤC LỤC

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF 19

Phân loại các kĩ thuật RHD 31

2.3 Các ưu điểm của RoF 41

2.3.1 Suy hao thấp 41

2.3.2 Băng thông lớn 42

2.3.3 Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến 42

2.3.4 Lắp đặt và bảo trì đơn giản 42

2.3.5 Giảm công suất tiêu thụ 43

2.3.6 Phân bổ tài nguyên linh hoạt 43

2.4 Các hạn chế của RoF 43

2.5 Ứng dụng của hệ thống RoF 44

2.5.1 Mạng tế bào 44

2.5.2 Thông tin vệ tính 44

2.5.3 Các dịch vụ băng rộng di động 44

2.5.4 Mạng cục bộ không dây (WLAN) 44

2.5.5 Mạng cho các phương tiện giao thông 45

2.6 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3: Đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM-RoF .47

3.2.2 Ứng dụng của OFDM trong RoF 54

Hình 3.13: Chòm sao tín hiệu phía phát 62

Hình 3.14: Tín hiệu sau khi điều chế vô tuyến (trong miền thời gian) 62

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý hệ thống OFDM-RoF 64

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG

Nội dung chính của chương 1 là trình bày lịch sử công nghệ OFDM, nguyên tắc hoạt động OFDM Ngoài ra cuối chương đề tài phân tích ưu nhược điểm của OFDM cũng như nêu sự khác biệt giữa OFDM quang và OFDM vô tuyến

Năm 1995, OFDM được chọn như là một chuẩn DAB của châu Âu, đảm bảo ý nghĩa của nó như một công nghệ điều chế quan trọng và báo hiệu một kỉ nguyên mới của sự thành công trong một loạt các ứng dụng Một trong số những tiêu chuẩn quan trọng sử dụng kết hợp công nghệ OFDM là DVB, mạng cục bộ không dây (Wi-Fi; IEEE 802.11a/g), mạng đô thị không dây (WiMAX 802.162), đường dây thuê bao bất đối xứng (ADSL; ITU G.992.1), và công nghệ mạng không dây thế hệ tiếp theo (LTE) thế hệ thứ tư

Ứng dụng của OFDM trong truyền thông quang xảy ra muộn hơn và tương đối ít so với bản sao RF Mặc dù cùng là một từ viết tắt OFDM có từ lâu được sử dụng để đại diện cho “ghép kênh phân chia tần số trực giao quang học” trong truyền thông quang chung Bài báo đầu tiên về OFDM quang trong các tài liệu mở được báo cáo bởi Pan

và Green năm 1996, và cũng liện tục có một số nghiên cứu về OFDM trong những năm tiếp theo Tuy nhiên, lợi thế cơ bản của OFDM, cụ thể là độ chắc chắn của nó đối với sự phân tán của kênh quang học không được công nhận trong truyền thông quang cho đến năm 2001 Khi Dixon et al đề xuất sử dụng OFDM để chống lại phương thức phân tán trong sợi quang (MMF) Với thực tế là các kênh sợi MMF tương tự như kênh không dây trong điều kiện pha đinh đa đường, không ngạc nhiên rằng các tiêu chuẩn làm việc ban đầu trên OFDM quang tập trung vào ứng dụng sợi MMF Sự quan tâm về OFDM ngày một được tăng lên phần lớn là do đề xuất độc lập của OFDM quang cho các ứng dụng đường dài từ ba nhóm, bao gồm phát hiện trực tiếp OFDM quang (DDO-OFDM) và coherent OFDM (CO-OFDM) Cho đến nay, truyền dẫn CO-OFDM theo chuẩn sợi đơn mode (SSMF) là 100 Gb/s qua 1000km với hiệu suất phổ tần 2 bít/s/Hz đã được chứng minh trong các nhóm khác nhau Một trong những thế mạnh của OFDM quang là nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau

1.1.2 Tính trực giao

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làm cho

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện

∫ =    = ≠

S

j i K

(t)dt

* j

(t).S i

0)

T

ksin(2(t)

S

S T t

T t

T

F = 1 và trực giao từng đôi một do thỏa điều kiện (1.1)

Ta xét hai sóng mang  S t

1

T

k2Sin π và

T

tkk πcos2T

tkk πcos22

1dttT

k π2.Sin tT

k π

2 1 S

2 T

sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần

số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ

là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.1) Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau

1.2 Nguyên lí OFDM

1.2.1 Xây dựng biểu thức toán học của một tín hiệu OFDM

OFDM là một loại đặc biệt của MCM, việc thực hiện chung của nó được mô tả trong hình 1.2 Cấu trúc của một bộ nhân phức tạp (điều chế IQ/ giải điều chế IQ), nó thường được sử dụng trong hệ thống MCM, cũng được thể hiện trong hình Tín hiệu

truyền MCM s(t) được biểu diễn:

t T t

Trong đó c ki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, s k là dạng sóng

cho k sóng mang con, N sc là số sóng mang con, f k là tần số sóng mang con, T s là thời gian một kí hiệu OFDM , và ∏(t) là hàm xung đơn vị Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi

sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợp với sóng mang con như trong hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang

Do đó, việc xác định kí hiệu mạng thông tin c ’

ik tại đầu ra được tính theo công thức sau:

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Trong đó r(t) là thời gian tín hiệu trong miền thu MCM cổ điển sử dụng những tín

hiệu có dải tần hạn chế không chồng chéo và có thể được lắp đặt với một số lượng lớn khối dao động và bộ lọc cả đầu phát và đầu thu Bất lợi lớn của MCM là nó yêu cầu băng thông lớn Đó là bởi vì để thiết kế các bộ lọc và bộ dao động một cách hiệu quả, khoảng cách kênh phải bằng một bội số của tốc độ kí hiệu để giảm hiệu quả phổ một cách tốt nhất Một phương pháp mới đã được nghiên cứu bằng việc sử dụng những bộ tín hiệu trực giao chồng lấn nhau Tính trực giao này bắt nguồn từ một mối tương quan đơn giản giữa bất kì hai sóng mang con nào

1.2.2 Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM

Một thách thức chính đối với OFDM đó là cần một số lượng lớn các sóng mang con

vì vậy kênh truyền dẫn xem mỗi sóng mang con như một kênh riêng Điều này dẫn đến một cấu trúc vô cùng phức tạp với nhiều bộ dao động và bộ lọc ở cả phía phát và phía thu Weinsten và Ebert đầu tiên khám phá ra điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng việc biến đổi Fourier nhanh đảo (IDFT) và biến đổi Fourier nhanh thuận (DFT) Điều này là hiển nhiên qua việc nghiên cứu điều chế OFDM công

thức (1.4) và giải điều chế OFDM công thức (1.5) Tạm bỏ qua chỉ số i và coi N sc là N

trong công thức (1.4) để tập trung chủ yếu vào một kí tự OFDM và chúng ta lây mẫu

s(t) tại các khoảng thời gian T s /N Như vậy công thức (1.4) trở thành

được c ’

k là N điểm DFT của tín hiệu lấy mẫu thu được Thực hiện DFT/IDFT cho

chuyển đổi từ số sang tương tự và từ tương tự sang số Có hai thuận lợi chủ yếu của việc thực hiện DFT/IDFT trong OFDM Thứ nhất là để giảm thời gian tính DFT/IDFT thì người ta giảm số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán IFFT/FFT,

số phép nhân phức tạp đối với IFFT trong (1.12) và FFT trong (1.13) giảm từ N 2 còn

{Nlog2(N)}/2 gần như tuyến tính với số sóng mang con N Thứ hai, rất nhiều sóng

mang con trực giao có thể được tạo ra và được giải điều chế mà không cần nhiều bộ dao động RF và bộ lọc phức tạp Điều này dẫn đến một kiến trúc tương đối đơn giản cho thực hiện OFDM khi mà rất nhiều sóng mang con được yêu cầu Tương ứng kiến trúc sử dụng DFT/IDFT và DAC/ADC được chỉ ra trong hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ (a) OFDM quang phía phát (b) OFDM phía thu

Tại phía phát, bít dữ liệu đầu vào nối tiếp đầu tiên được chuyển đổi thành nhiều luồng dữ liệu song song, ánh xạ lên mỗi kí hiệu thông tin tương ứng cho mỗi sóng mang con với một kí hiệu OFDM và tín hiệu số trong miền thời gian thu được bằng việc biến đổi IDFT, sau đó được đưa vào mới một khoảng bảo vệ và chuyển đổi thành dạng sóng thời gian thực thông qua DAC Khoảng bảo vệ được đưa vào để ngăn cản nhiễu giao thoa kí tự (ISI) do kênh phân tán Tín hiệu băng gốc có thể được chuyển đổi

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

nâng tần thành RF thích hợp với một bộ điều chế Tại phía thu, tín hiệu OFDM được chuyển đổi hạ tần thành tín hiệu băng gốc với bộ giải điều chế, lấy mẫu với ADC, và sau đó giải điều chế bởi thực hiện DFT và tín hiệu băng gốc được xử lí để phục hồi dữ liệu

Chú ý rằng từ công thức (1.10), tín hiệu OFDM s m là một hàm tuần hoàn với chu kì

N/T s Cụ thể là trong (1.10) và (1.11), tần số sóng mang con f k và chỉ số k có thể được

1.2.3 Tiền tố lặp đối với OFDM

Một trong những kĩ thuật cho phép đối với OFDM là chèn các tiền tố lặp Chúng ta

hãy xem xét hai kí hiệu OFDM liên tiếp trải qua một kênh phân tán với một độ trễ t d

Để đơn giản, mỗi kí hiệu OFDM chỉ bao gồm hai sóng mang con với trễ nhanh và trễ

chậm là t d, đặc trưng bởi “sóng mang con nhanh” và “sóng mang con chậm” tương ứng Hình 1.4a chỉ ra rằng bên trong mỗi kí tự OFDM, hai sóng mang con- sóng mang con nhanh và sóng mang con chậm được liên kết khi truyền Hình 1.4b chỉ ra rằng các

tín hiệu OFDM ở trên cùng đến phía thu, khi mà sóng mang con chậm trế t d so với sóng mang con nhanh Chúng ta lựa chọn một cửa sổ DFT có chứa một kí tự OFDM hoàn chỉnh cho sóng mang con nhanh Rõ ràng đó là do phân tán kênh, sóng mang con chậm đã vượt qua ranh giới kí hiệu dẫn đến nhiễu giữa các kí hiệu OFDM lân cận, nó được gọi là nhiễu liên kí tự (ISI) Hơn nữa, vì dạng sóng OFDM trong cửa sổ DFT đối với sóng mang chậm chưa được hoàn chỉnh, điều kiện trực giao quan trọng đối với mỗi sóng mang con phương trình (1.8) bị mất, kết quả là xảy ra nhiễu kênh lân cận (ICI)

Tiền tố lặp được đề xuất để giải quyết các vấn đề nhiễu ISI và ICI Hình 1.4c chỉ ra việc chèn vào một tiền tố lặp bằng việc mở rộng tuần hoàn vào dạng sóng OFDM khoảng bỏa vệ ∆G Như trong hình 1.4c, dạng sóng trong khoảng bảo vệ về cơ bản là một bản sao của chính nó trong cửa sổ DFT, với một khoảng thời gian dịch chuyển là

t s Hình 1.4d chỉ ra tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ nhận được Nếu giả định các tín hiệu được đi qua các kênh phân tán giống nhau và cùng cửa sổ DFT được chọn bao gồm một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang con nhanh Có thể thấy được từ hình 1.4d một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang con chậm cũng được duy trì trong cửa sổ DFT bởi vì một tỷ lệ của tiền tố lặp đã được chuyển vào trong cửa sổ DFT để thay thế một phần giống hệt đã được chuyển ra Như vậy, kí tự OFDM đối với sóng mang con chậm là một bản sao giống hệt dạng sóng truyền được thêm vào trong quá trình chuyển đổi giai đoạn Chuyển đổi giai đoạn này được xử lí trong quá trình ước lượng kênh và sẽ được quyết định loại bỏ đối với kí tự Bây giờ chúng ta đi đến điều kiện quan trong đối với truyền OFDM tự do với nhiễu ISI

d G

Hình 1.4: Tín hiệu OFDM quang (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở

phía thu (c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu

Để khôi phục lại đúng kí tự OFDM mang thông tin, có hai vấn đề cần phải được thực hiện: (1) là lựa chọn một cửa sổ DFT phù hợp, gọi là đồng bộ cửa sổ DFT và (2)

là ước lượng khoảng dịch chuyển đối với mỗi sóng mang con, gọi là ước lượng kênh hay đồng bộ sóng mang con Cả hai vấn đề xử lí tín hiệu này được theo đuổi nghiên cứu một cách tích cực, và chúng được đưa ra thảo luận trên cả sách và tạp trí

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM quang trong miền thời gian đối với

Một cách mô tả tiền tố lặp là một biểu thức giống như trong biểu thức (1.4) đối với

truyền tín hiệu s(t) nhưng được mở rộng dạng hàm xung (1.6) để chèn khoảng bảo vệ:

1.2.4 Phổ hiệu dụng của OFDM quang

Trong hệ thống DDO-OFDM, phổ quang thường không phải là bản sao tuyến tính của phổ RF, do đó hiệu quả phổ quang phụ thuộc vào sự thực thi chi tiết Chúng ta chuyển hướng tập trung vào hiệu quả phổ quang của hệ thống CO-OFDM Trong hệ

thống CO-OFDM, sóng mang con N sc được truyền trong mỗi thời gian kí tự OFDM T s,

Do đó tổng tốc độ kí hiểu R đối với CO-OFDM được tính bởi:

sc s

Hình 1.6a là phổ của ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) với điều chế OFDM và hình 1.6b là sự thu nhỏ quang phổ đối với mỗi kênh bước sóng Chúng ta

CO-sử dụng băng thông của những kí tự rỗng đầu tiên để biểu thị ranh giới của mỗi kênh

bước sóng Băng thông OFDM, BOFDM được tính bởi công thức:

OFDM

N B

−

Khi t s là độ rộng một kí tự có ích (nhìn hình 1.5) Giả sử rằng một phần lớn sóng mang con được sử dụng, băng thông hiệu dụng của OFDM là η được tính bởi:

OFDM

R B

(1.19)

s s

t T

α =

Hình 1.6: Phổ quang (a) Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM ) N

kênh CO-OFDM (b) Tín hiệu OFDM thu nhỏ đối với một bước sóng (c)

OFDM kênh chéo không có khoảng bảo vệ

Khi mà sử dụng giá trị khoảng bảo vệ là 8/9 thì chúng ta sẽ tính được hệ số phổ hiệu dụng η là 1.8 Bd/Hz Phổ hiệu dụng là 3.6 bit/s/Hz nếu sử dụng điều chế QPSK đối

vỡi mỗi sóng mang Phổ hiệu dụng có thể được tăng lên bằng việc sử dụng điều chế QAM Để triển khai thực tế hệ thống CO-OFDM, phổ hiệu dụng sẽ phải giảm do cần

một khoảng bảo vệ giữa các kênh WDM.

1.2.5 Dung lượng hệ thống OFDM quang

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

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsc là số sóng mang con, Ts là độ dài kí

tự, B là độ rộng băng thông, ts là độ dài kí tự có ích (thời gian FFT), khoảng cách giữa

các sóng mang con là ∆f=1/ts và α=ts/Ts, tốc độ bít tổng được tính như sau:

loglog

1.3 Sơ độ hệ thống truyền dẫn OFDM quang

Hình 1.7 là mô hình của một hệ thống OFDM, bao gồm năm khối chức năng cơ bản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang, chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM Trong phần này, RF được

sử dụng để thay thế cho nhau trong miền điện để biểu thị cho giao diện vật lí điều đó trái ngược trong miền quang Độ tuyến tính kênh truyền dẫn là cơ sở giả định trong OFDM Do đó, nghiên cứu tính phi tuyến trong mỗi khối chức năng có tầm quan trọng lớn Khối phát và thu RF OFDM đã được nghiên cứu trong hệ thống RF và như vậy nó vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống OFDM

1.3.1 Khối phát RF OFDM

Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp sang song song),

tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành N sc “kí tự thông tin” song song Những kí tự này

sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền Tín hiệu trong miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chế OFDM (IDFT) Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền thời gian,

giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là c ki và sau đó được chèn một khoảng bảo vệ để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu ICI (nhiễu lênh lân cận) Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệu OFDM Tín hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn:

Hình 1.7: Kiến trúc hệ thống OFDM chuyển đổi up/down trực tiếp

Trong đó c ki là kí hiệu mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, f k là tần số sóng

mang con thứ k, N sc là số sóng mang con, T s là thời gian một kí hiệu OFDM, t s là thời gian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị Phần mở

rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆G, 0) trong phương trình (1.23) đại diện cho chèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ (đã trình bày trong mục 1.2.3) Tín hiệu sau đó sẽ được chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi mộ bộ lọc thông thấp loại bỏ các tín hiệu không mong muốn

1.3.2 Khối chuyển RF sang quang và ngược lại

Tín hiệu OFDM băng gốc có thể được chuyển đổi thành RF thông qua bộ trộn tần

IQ (không được chỉ ra trong hình), Hình 1.7 là một kiến trúc nâng tần trực tiếp, ở đó máy phát OFDM RF tạo ra tín hiệu OFDM băng gốc Ở phía phát, bộ RTO sẽ chuyển tín hiệu băng gốc này sang miền quang sử dụng một bộ điều chế quang Tín hiệu OFDM băng gốc được chuyển đổi trực tiếp tới miền quang sau đó đưa lên đường truyền quang Đường truyền quang sử dụng sợi đơn mode để truyền và trên đường truyền sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu Ở phía thu, tín hiệu OFDM quang được chuyển đổi thành một tín hiệu OFDM RF, ngược lại so với phía phát

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

1.3.3 Khối thu RF OFDM

Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệu này cần đưa qua ba mức đồng bộ phức tạp trước khi quyết định kí tự dữ liệu, ba mức đồng bộ:

1 Đồng bộ cửa sổ DFT trong đó các kí tự OFDM được mô tả đúng để tránh nhiễu liên kí tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng

bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn

2 Đồng bộ tần số, cụ thể là dịch tần được ước lượng, được bù trừ và hơn thế nữa là được hiệu chỉnh tới một giá trị nhỏ nhất khi bắt đầu Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là: Lấy mẫu không đồng bộ Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

3 Khôi phục sóng mang con, mỗi kênh sóng mang con được ước lượng và

bù trừ Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation)

1.4 Sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF

Có một sự sai lầm là do OFDM RF đã được nghiên cứu từ khá lâu, khoảng 20 năm,

và hệ thống OFDM quang sẽ là một nỗ lực giúp chuyển đổi từ miền vô tuyến không dây sang miền quang Việc sử dụng các hệ thống truyền thông quan SMF và các hệ thống không dây là các ví dụ, chúng tôi đưa ra các khác biệt sau có các ý nghĩa hệ quả đối với thiết kế OFDM như sau:

• Mô hình kênh: Bảng 1.1 tóm tắt các điểm khác biệt chính giữa các kênh

truyền thông vô tuyến và quang Một kênh vô tuyến điển hình có thể được mô hình hóa như là sự tổng hợp của nhiều tuyến đường mà mỗi tuyến đường phải trải qua một quá trình Reyleigh

• Tính phi tuyến kênh: kênh vô tuyến trong không gian tự do và do đó

không có bất kỳ tính phi tuyến nào Ngược lại, đường truyền sợi quang mang đặc tính phi tuyến Kết hợp cùng với tán sắc sợi quang, PMD và các hiệu ứng PDL, kênh quang thường phức tạp hơn so với kênh vô tuyến Thường thường, không có bất kỳ giải pháp phân tích đóng nào đối với việc truyền dẫn phi tuyến trong sợi quang, trong đó các giải pháp tính toán số học đối với phương trình phi tuyến Schrodinger mô tả việc truyền sóng phi tuyến trong sợi quang được yêu cầu để phân tích hiệu năng Ngay từ cái nhìn đầu tiên, OFDM bị cản trở bởi giá trị PAPR cao sẽ không phù hợp với kênh sợi quang có tính phi tuyến cao May mắn là sự tán sắc màu trong sợi quang như là một yếu tố thuận lợi giúp làm giảm tính phi tuyến và các thí nghiệm thực nghiệm đã cho thấy việc truyền dẫn thành công tốc độ 100Gb/s CO-OFDM trên tuyến đường dài 1000km sử dụng sợi quang SSMF

Mô hình toán học

Tính phi tuyến

Tốc đô

OFDM

không dây gian- Đa miền thời

- Rayleigh rời rạc

• Biến đổi thời gian của các đặc tính kênh: cũng quan trọng như tán sắc

tần số (hoặc việc chọn tần) của kênh, việc chọn lọc thời gian hoặc tán sắc là một yếu tố xác định khác Tán sắc thời gian được định nghĩa như tỷ số ở đó các đặc tính kênh thay đổi Trong các hệ thống không dây, tán sắc thời gian được đặc trưng như tần số Doppler từ các người dùng di động di chuyển với tốc độ cao, trong khi trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang, nó được đặc trưng như việc quay phân cực từ sự xáo trộn cơ học của liên kết sợi quang Việc mở rộng của sự lựa chọn thời gian được đặc trưng bởi sản phẩm của tần số Doppler trong các hệ thống không dây (hoặc tỷ lệ quay phân cực trong các hệ thống sợi quang) và chiều dài ký hiệu OFDM, tương đương 0,04 đối với hệ thống truyền thông di động phổ biến (Universal Mobile Telecommunications System) hoặc môi trường mạng LAN không dây hoặc 5 x 10-5 đối với các hệ thống sợi quang (sử dụng chiều dài ký hiệu 50ns và tốc độ quay phân cực 1 kHz) Sau đó, kênh quang có thể được xem xét bán tĩnh điện Việc ước tính kênh hiệu quả có thể được sử dụng bằng việc tận dụng ưu điểm của đặc tính quan trọng này

• Khuếch đại phi tuyến: đây là một yếu tố quan trọng có thể không

thường được công nhận Trong các hệ thống không dây, tính phi tuyến chủ yếu diễn ra trong việc khuếch đại quang, do đó ta có thể có một bộ khuếch đại không suất RF độ bão hòa cao hoặc hoạt động tại công suất back-off vừa đủ Tuy nhiên trong các hệ thống sợi quang, bộ khuếch đại chiếm ưu thế là EDFA với tính tuyến tính tuyệt vời Điều này là do đáp ứng thời gian của EDFA tính theo ms, do đó bất kỳ tính phi tuyến nào nhanh hơn ms thực tế sẽ bị biến mất Điều này rất có ý nghĩa theo nghĩa trong việc thiết kế các hệ thống CO-OFDM, khi gặp phải việc đánh đổi giữa tổn thất quang với tổn thất RF, ta sẽ chọn cái đầu tiên vì nó có tính tuyến tính cao hơn Ví dụ, trong việc thiết kế bộ phát CO-OFDM, ta sẽ chọn việc tối thiểu hóa các ổ điện áp thành các modulator IQ quang và khuếch đại quang tín hiệu để bù đắp tổn thất vượt quá của Modul IQ quang

• Khả năng chịu lỗi khi truyền dẫn out-of-band: Trong các hệ thống

không dây, do sự thiếu hụt của phổ tần số, kênh RFF được đóng gói nhỏ nhất có thể Do đó, có một yêu cầu truyền dẫn out-of-band giới hạn được đặt lên các bộ phát OFDM

Hình 1.8 chỉ ra mặt nạ truyền dẫn đối với một tín hiệu Wi-fi chỉ ra chi tiết mật độ tương đối tối đa ở đó việc truyền dẫn bị giới hạn Ví dụ, đối với tín hiệu Wi-Fi với khoảng cách kênh 20 MHz, mật độ truyền dẫn tối đa tương ứng tại 11,20 và 30Mhz

OFDM-RoF Chương 1: Công nghệ OFDM quang

tương ứng là -20, -28, -30 dB với mật độ trong băng Nó sẽ là một nhiệm vụ dễ dàng nếu một bộ lọc RF có thể được sử dụng để loại bỏ bất kỳ sự phát xạ nào tại bộ phát trong một hệ thống không dây Vấn đề là việc khuếch đại công suất là một trong những đóng góp lớn tới việc tiêu thụ công suất chip tổng thể, và việc đưa ra một bộ lọc

RF đăng sau bộ khuếch đại công suất sẽ giảm đáng kể tổn thất và giảm ảnh hưởng của công suất chip Do đó, nó thường được tránh dùng trong các hệ thống không dây Điều này đặt ra một yêu cầu nghiêm ngặt tới bộ phát OFDM theo khía cạnh điều khiển phi tuyến Ngược lại, trong các hệ thống quang, các thiết bị ghép kênh phân chia theo bước sóng thường được sử dụng để kết hợp nhiều bước sóng khác nhau, và bất kỳ việc truyền tải out-of-band nào từ bộ phát CO-OFDM được loại bỏ một cách hiệu quả Như vậy, bộ phát CO-OFDM có khả năng chịu lỗi tốt hơn tới việc truyền dẫn out-of-band Thực tế này cần được tận dụng khi giải quyết với việc giảm thiểu PAPR trong các hệ thống CO-OFDM

Hình 1.8: Mặt nạ phổ truyền dẫn đối với tín hiệu Wi-fi Sau mức tham chiếu 80.

1.5 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF

Một trong những phương pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn

và cự ly xa Một trong những sự kết hợp đó là kỹ thuật Radio over Fiber, một kỹ thuật

mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống RoF cũng như các kĩ thuật được sử dụng trong RoF và ứng dụng của RoF

2.1 Tổng quan

2.1.1 Khái niệm

Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát.

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tấn số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm đến các khối anten đầu xa (RAUs), hình 2.1

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber

2.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF

Một tuyến RoF có kiến trúc như hình dưới sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một tuyến quang (song hướng hay đơn hướng)

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

• Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là

các thiết bị đầu cuối Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay

có tích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây

đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS Mỗi BS sẽ phục vụ một microcell BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận

từ CS BS gồm 2 thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng

BS để phủ sóng một vùng là nhiều hay ít Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm các MH Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do không có thành phần)

• Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm Tùy vào khả năng của kỹ

thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS

có thể nối đến hàng ngàn các BS Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở

CS vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng đài trong mạng điện thoại) CS được nối đến các tổng đài, server khác

Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau

Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 2.2

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF

2.1.3 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet

a Mạng truy nhập vô tuyến hiện đại

Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động (mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định (fixed) như WiFi Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băng thông và tính di động So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ

108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể

có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn Như vậy ta thấy rằng xu hướng của các mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông ngày càng tăng để đạt được mạng băng thông rộng

Để đạt được mạng băng thông tăng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô tuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho các thiết bị trong mạng Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹ thuật truy nhập tiên tiến hơn như CDMA, OFDM,… và có xu hướng:

• Giảm kích thước các cell lại để tăng số user lên do số lượng trạm thu phát tăng lên theo

• Chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave wave) để tránh chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông hơn nữa

(mm-Hai xu hướng trên có tác động qua lại chặt chẽ Đối với băng tần mm ngoài những

ưu điểm của nó như: kích thước anten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở tần số mm suy hao của nó trong không gian rất lớn Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thức sau:

Diện tích mỗi microcell là Smicrocell ≈ π r2 = × π 3002 ≈ 300.000 m2

Diện thích vùng phủ sóng là S = × π 100002 ≈ 300.000.000 m2

Số lượng microcell là n = 1000 trạm

Số lượng microcell này sẽ tăng nhanh hơn nữa nếu bán kính tăng (tỉ lệ thuận với bình phương bán kính)

Với một số lượng lớn BS lớn như thế thì rõ ràng giá thành của mỗi BS sẽ là một vấn

đề phải giải quyết trong bài toán kinh tế Để giảm giá thành cho các BS thì người ta đưa ra các giải pháp :

• Cấu trúc BS thật đơn giản

• Đưa ra kiến trúc mạng tập trung

Với kiến trúc mạng tập trung, các chức năng như xử lí tín hiệu, định tuyến, chuyển giao,… được thực hiện tại mạng trung tâm CS (Central Station), mỗi CS này phục vụ càng nhiều BS càng tốt, nhờ kiến trúc tập trung này thì rõ ràng các BS thật sự đơn giản, nhiệm vụ của chúng bay giờ chỉ còn là phát các tín hiệu vô tuyến nhận được từ

CS và chuyển các tín hiệu nhận được từ MH (Mobile Host) về CS So với các mạng cellular khác thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phát

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

sóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lí tín hiệu (giải điều chế rồi truyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến)

Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km Các kĩ thuật

để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kĩ thuật RoF, còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô tuyến RoF mà ta gọi tắt là mạng RoF

2.2 Kĩ thuật RoF

2.2.1 Mô hình truyền dẫn sợi quang hiện tại

Tuyến truyền dẫn sợi quang tổng quát được mô tả như hình 2.3 Tín hiệu được sử dụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số Một tuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phát quang, một bộ thu quang và một bộ khuếch đại

Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn quang

1) Sợi quang:

Sợi quang là một môi trường điện môi được sử dụng để truyền tải thông tin từ nguồn tới đích dưới dạng ánh sáng Không giống như truyền dẫn với cáp đồng, sợi quang về bản chất không có tính điện Cụ thể là, sợi quang là một sợi thủy tinh (hoặc chất dẻo) nhỏ hoạt động như một ống dẫn sóng Theo định nghĩa, ống dẫn sóng là một môi trường vật lý hay là một tuyến cho phép truyền lan sóng điện từ, giống như là ánh sáng Dựa trên hiện tượng vật lý phản xạ toàn phần, ánh sáng có thể truyền lan dọc theo chiều dài sợi quang với tổn hao cực nhỏ

Sợi quang có các vùng cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp Tập trung khoảng 200 nm xung quanh vùng bước sóng 1300nm có suy hao nhỏ hơn 0,5 dB/km Tổng băng thông của vùng này vào khoảng 25 THz Trong khi đó, tập trung khoảng tương tự tại bước sóng 1550 nm có suy hao chỉ khoảng 0,2 dB/km Tổng cộng 2 vùng cửa sổ truyền dẫn trên cho ta băng thông tổng lên tới 50 THz Bằng việc sử dụng các vùng suy hao thấp cho việc truyền dẫn dữ liệu, tổn thât tín hiệu đối với một hoặc một tập hợp nhiều bước sóng sẽ là rất nhỏ, do đó cần ít hơn các bộ khuếch đại và bộ lặp dọc theo tuyến truyền dẫn Thực nghiệm đã chứng minh, tín hiệu quang có thể truyền được hàng trăm km mà không cần khuếch đại Bên cạnh ưu điểm về băng thông khổng lồ và suy hao thấp, sợi quang cũng đảm bảo cho tỉ số lỗi thấp Các hệ thống thông tin sử dụng sợi quang thường có tỉ số BER thấp hơn 10-11 Sợi quang miễn nhiễm với nhiễu điện từ và cũng không gây ra nhiễu Với độ linh động cao, phù hợp với các môi trường có tính ăn mòn

và có thể triển khai ở các cự li ngắn Hơn thế nữa, kích thước và độ dày nhỏ giúp cho

việc triển khai các mạng khu vực trong các tòa nhà sẽ là ưu điểm lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng.

2) Bộ phát quang:

Hoạt động của Laser:

Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (LASER– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Việc phát xạ kích thích cho phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiều bước sóng riêng biệt)

Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử Nguyên

tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất

có thể Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các trạng thái

Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu năng lượng Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái nền bằng việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng

Với một số chất nhất định, các trạng thái của chúng là gần ổn định, có nghĩa là chúng có xu hướng ở các trạng thái kích thích lâu hơn mà không bị phát xạ ngay lập tức Bằng việc hấp thụ đủ năng lượng (dưới dạng sóng bơm quang hoặc dòng điện) đủ lâu đối với một chất có các trạng thái gần ổn định, hiện tượng đảo mật độ sẽ xảy ra, đồng nghĩa với việc có nhiều điện tử hơn ở trạng thái kích thích hơn là trạng thái nền

Sự đảo ngược này cho phép chất đó phát xạ nhiều ánh sáng hơn là nó hấp thụ

Hình 2.4 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc, môi trường laser và thiết bị kích thích Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môi trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định Dòng điện sẽ kích thích các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ra một photon ánh sáng

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon tương tác với một điện tử bị kích thích Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền Trong quá trình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với photon kích thích Các photon có tần số tương ứng với tần số cộng hưởng sẽ được phát xạ Giữa phát xạ bình thường và phát xạ kích thích , ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xây dựng cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nó được đưa vào Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường

độ cao Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới dạng các chùm sáng hẹp tập trung Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điều chỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Hình 2.4: Cấu trúc chung của một laser

Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó và được tính theo công thức :

tính theo công thức ở trên với E i – E f là năng lượng vùng cấm

Một chất bán dẫn có thể pha tạp với các tạp chất để gia tăng số lượng điện tử hay lỗ trống Bán dẫn loại n được pha với tạp chất để tăng số lượng điện tử Các điện tử này

sẽ duy trì ở vùng dẫn Bán dẫn loại p được pha với tạp chất để tăng số lượng lỗ trống ở vùng hóa trị Tiếp giáp p-n sẽ được hình thành bởi lớp vật liệu bán dẫn loại p và vật liệu bán dẫn loại n

Với mục đích tạo ra phát xạ kích thích, điện thế được đặt vào tiếp giáp p-n để phân cực thiết bị và làm cho các điện tử ở vùng n kết hợp với các lỗ trống ở vùng p, dẫn tới năng lượng ánh sáng được giải phóng tại tần số có liên quan tới vùng cấm của thiết bị Bằng việc sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, ánh sáng với dải tần số thay đổi có thể được sinh ra Tần số thực tế của ánh sáng phát xạ ra bởi laser còn được quyết định bởi chiều dài hốc cộng hưởng

Điều chế quang

Để truyền dữ liệu qua sợi quang, thông tin phải được mã hóa hay điều chế trên tín hiệu laser Các kĩ thuật tương tự bao gồm điều biên AM, điều tần FM hay điều pha

PM Các kĩ thuật số bao gồm khóa dịch biên độ ASK, khóa dịch tần FSK và khóa dịch pha PSK Trong các kĩ thuật trên, kĩ thuật ASK nhị phân được sử dụng chủ yếu vì tính đơn giản của nó Kĩ thuật ASK nhị phân hay còn gọi là khóa tắt-mở (OKK), tín hiệu sẽ được chuyển giữa 2 mức công suất Mức công suất thấp hơn đại diện cho bit 0 trong khi mức công suất cao hơn đại diện cho bit 1

Trong các hệ thống sử dụng OOK, điều chế tín hiệu cần được thực hiện đơn giản bằng việc tắt hoặc mở laser (điều chế trực tiếp) Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn tới hiện tượng chirp hay là sự biến đổi biên độ và tần số của laser khi laser được bật Một phương pháp khác được sử dụng cho tốc độ bit cao (>=10Gbps) là sử dụng điều chế ngoài hay là điều chế ánh sáng đã ra khỏi laser Với phương pháp này, người ta thường

sử dụng giao thoa kế Mach Zehnder hay các bộ điều chế hấp thụ điện

Với kĩ thuật tách sóng trực tiếp, một bộ tách quang sẽ chuyển đổi dòng photon vào thành dòng điện Dòng điện sau đó được khuếch đại và đưa qua thiết bị quyết định ngưỡng Quyết định chọn bit 0 hay bit 1 pục thuộc vào dòng thu được ở mức trên hay dưới ngưỡng định trước trong suốt thời gian 1 bit Thiết bị tách sóng cơ bản dùng cho các mạng quang tách sóng trực tiếp là diode quang PN (có 1 tiếp giáp p-n), diode kiểu PIN và diode kiểu thác APD Ở dạng đơn giản nhất, các photodiode là một tiếp giáp p-

n phân cực ngược Thông qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng vào tiếp giáp sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống ở cả vùng p và n trong photodiode Các điện tử được giải phóng trong vùng p sẽ vượt qua vùng n và ngược lại, do đó sinh ra dòng điện

3 Bộ khuếch đại quang:

Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phải khuếch đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đại quang Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó chỉ thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại tín hiệu Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu (quá trình khuếch đại độc lập với kiểu điều chế tín hiệu) Các bộ khuếch đại 1R là sự lựa chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai Các bộ khuếch đại quang-điện có thể thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời Tín hiệu quang

đi vào bộ khuếch đại quang-điện đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và trước khi truyền đi sẽ lại được chuyển sang miền quang Việc định dạng lại tín hiệu sẽ định lại dạng xung ban đầu của mỗi bit, loại bỏ đi nhiễu Việc định dạng lại chủ yếu áp dụng cho tín hiệu được điều chế số nhưng trong một vài trường hợp nó vẫn được áp dụng với các tín hiệu tương tự Việc định thời lại tín hiệu sẽ đồng bộ bit thời gian chuẩn và tốc độ bit và chỉ áp dụng cho tín hiệu được điều chế số

Khuếch đại quang sử dụng nguyên lý phát xạ kích thích, tương tự như nguyên lý được sử dụng trong laser Hai loại bộ khuếch đại quang cơ bản là bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi pha tạp phần tử đất hiếm (như erbium, holmium,

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

neodymium…) Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp sử dụng sợi quang được pha với một nguyên tố (đất hiếm) làm môi trường khuếch đại ánh sáng Nguyên tố được sử dụng nhiều nhất là erbium, cung cấp độ khuếch đại đối với các bước sóng 1525-1560

nm Đối với các bộ khuếch đại này, một laser phát công suất lớn ở một bước sóng ngắn hơn (còn gọi là bước sóng bơm) được ghép vào sợi quang Tín hiệu bơm sẽ kích thích các nguyên tử được pha trộn lên một mức năng lượng cao hơn Điều này cho phép photon ánh sáng tín hiệu kích thích các nguyên tử ở mức năng lượng cao làm chúng giải phóng ra photon Hầu hết các bộ khuếch đại EDFA đều được bơm bằng laser tại bước sóng 980 hoặc 1480 nm

Một hạn chế của khuếch đại quang là phổ khuếch đại không đồng đều Tức là bộ khuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu trong một dải bước sóng, nhưng

hệ số khuếch đại đối với các bước sóng này là khác nhau Ngoài ra, các bộ khuếch đại không những khuếch đại công suất tín hiệu mà còn khuếch đại cả công suất nhiễu Bản thân bộ khuếch đại cũng gây thêm nhiễu do hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tại vùng tích cực Chính các đặc tính này sẽ giới hạn hiệu quả của hệ thống Do vậy, tín hiệu quang nhiều bước sóng sau khi đi qua một loạt các bộ khuếch đại dẫn tới công suất của các bước sóng là không như nhau

4) Các copler

Coupler là khái niệm chung chỉ các thiết bị kết hợp hoặc phân tách ánh sáng ra khỏi sợi quang Khi hoạt động như một bộ chia quang, coupler chia tín hiệu quang từ 1 sợi quang vào 2 hay nhiều sợi quang, phổ biến nhất là bộ chia 1x2 Tỉ số chia, α, là tổng công suất qua mỗi đầu ra Khi thực hiện chức năng kết hợp, coupler thực hiện chứa năng ngược lại so với bộ chia Tín hiệu qua coupler sẽ phải chịu suy hao phản xạ và suy hao chèn Nếu tín hiệu đi vào đầu vào coupler, thì gần như một nửa công suất tín hiệu sẽ ở mỗi đầu ra Tuy nhiên, một lượng nhỏ công suất sẽ phản xạ lại hướng ngược lại và trực tiếp quay trở lại đầu vào của coupler Trong khi đó, suy hao chèn xảy ra khi ánh sáng truyền trực tiếp từ sợi quang vào coupler do trục của lõi sợi quang không thật

sự thẳng hàng với trục của đầu vào coupler

5) Các tham số trong hệ thống thông tin quang

Suy hao: Suy hao trong sợi quang dẫn tới sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền

tín hiệu đi xa Để xác định được khoảng cách truyền lớn nhất, tín hiệu được phát đi với một công suất phát và độ nhạy máy thu định trước Với P(L) là công suất xung quang tại tại khoảng cách L (km) từ máy phát và A là hệ số suy hao của sợi quang (tính theo dB/km) Suy hao được đặc trưng bởi công thức :

(2.3)

với P(0) là công suất quang tại máy phát.

Tán sắc: Tán sắc là sự dãn rộng xung trong suốt quá trình xung được truyền qua sợi

quang Do đó, tán sắc gây nên nhiễu liên kí tự ISI Đồng thời tán sắc giới hạn khoảng cách giữa các bit và tốc độ truyền dẫn tối đa đối với kênh quang

Có các loại tán sắc là :

- Tán sắc mode (đối với sợi quang đa mode): Xảy ra khi nhiều mode

truyền đối với cùng một tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang Tán sắc mode không xảy ra trong sợi quang đơn mode

- Tán sắc vật liệu hay là tán sắc màu: Trong môi trường tán sắc, chỉ số

chiết suất là một hàm của bước sóng Vì thế, nếu tín hiệu được truyền với nhiều hơn một bước sóng, một số bước sóng sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các bước sóng khác Bởi vì không laser nào có thể tạo ra tín hiệu với một bước sóng chính xác nên tán sắc màu xảy ra hầu hết ở các hệ thống

- Tán sắc ống dẫn sóng: Xảy ra do sự truyền lan của các bước sóng khác

nhau phụ thuộc khác nhau vào đặc tính ống dẫn sóng như chỉ số chiết suất và hình dạng của vỏ, lõi

Tại vùng cửa sổ 1300 nm, tán sắc màu trong sợi quang đơn mode thông thường gần như bằng 0 Đây cũng là vùng cửa sổ có suy hao tương đối thấp (suy hao thấp nhất tại vùng cửa sổ 1550 nm) Dựa trên các kĩ thuật tiên tiến như dịch tán sắc, sợi quang

có thể đạt mức tán sắc 0 tại bước sóng giữa 1300 nm đến 1700 nm

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang: Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có

ảnh hưởng sâu sắc tới hiệu quả của các hệ thống truyền thông quang WDM Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang gây ra suy hao, méo và nhiễu xuyên kênh Trong hệ thống WDM, các hiệu ứng này sẽ hạn chế khoảng cách giữa các kênh bước sóng liền

kề, giới hạn công suất tối đa của một kênh và giới hạn tốc độ bit lớn nhất Các hiệu ứng phi tuyến quang rất phức tạp và trong giới hạn của đồ án sẽ không đi vào chi tiết Điều tập trung nhấn mạnh ở đây là các hiệu ứng phi tuyến là các thông số giới hạn chủ yếu số lượng các kênh trong các hệ thống WDM

3.1.1 Các kĩ thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

Có rất nhiều kĩ thuật quang nhằm tạo và truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang Xem xét dưới khía cạnh tần số của tín hiệu RF đưa vào tuyến RoF tại đầu cuối trong việc so sánh với tín hiệu được tạo ra tại RAU, kĩ thuật RoF có thể được chia thành 3 loại : RFoF, IFoF, hoặc BBoF RFoF bao gồm việc truyền dẫn tín hiệu RF thật sự qua sợi quang Tuy nhiên, trong IFoF và BBoF tín hiệu sóng ngắn mong muốn sẽ được tạo

ra tại RAU thông qua bộ nâng tần nhờ một bộ dao động nội LO, sau đó được cung cấp riêng rẽ tại RAU hoặc được truyền tải từ xa tới bộ RAU Vì vậy, tùy theo các phương thức truyền dẫn được sử dụng mà các bộ RAU có thể có cấu trúc phức tạp hoặc đơn giản khác nhau

Các phương pháp yêu cầu một bộ dao động nội LO riêng biệt tại RAU có thể khiến RAU đắt hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng sóng mm Tuy nhiên, các hệ thống này lại cho thấy độ nhạy máy thu được cải thiện hơn Thực nghiệm đã so sánh về độ nhạy máy thu giữa 3 kĩ thuật truyền dẫn RoF khác nhau, tương ứng là BBoF,IFoF và RFoF

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Sử dụng một tín hiệu IF tại dải tần 2GHz và tần số tín hiệu LO tại 27 GHz, 3 kĩ thuật trên được sử dụng để tạo ra tín hiệu RF tại 29GHz được điều chế với dữ liệu tốc độ

155 Mbps Có thể thấy rằng BBoF cho độ nhạy máy thu tốt hơn IFoF khoảng 4dB Mặt khác, IFoF lại có độ nhạy máy thu tốt hơn RFoF khoảng 2dB

Ưu điểm của truyền tải các tín hiệu vô tuyến như RFoF là sử dụng các bộ RAU mà không cần có bộ chuyển đổi nâng tần Nhưng điều này dẫn tới sự đòi hỏi các thiết bị tần số cao tại trạm trung tâm Hệ thống RFoF cũng rất nhạy cảm với các ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với công suất RF và nhiễu pha BBoF và IFoF có thể khắc phục những hệ quả trên, nhưng nó sẽ làm tăng độ phức tạp của RAU, trừ khi tín hiệu

từ bộ dao động nội sử dụng cho đường lên được gửi từ đầu xa

Các kĩ thuật RoF có thể phân loại dưới tiêu chí các nguyên tắc điều chế/tách sóng được sử dụng Trong trường hợp này, các kĩ thuật có thể được chia thành 3 nhóm là :

- Điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp IM-DD

- Tách sóng heterodyne đầu xa RHD (Remote Heterodyne Detection)

- Các kĩ thuật chuyển đổi nâng tần hài

Các hệ thống RFoF được xếp vào IM-DD IFoF và BBoF bao gồm việc sử dụng một bộ dao động nội LO tại RAU có thể sử dụng phương pháp IM-DD để truyền tín hiệu băng gốc hoặc trung tần IF tới bộ RAU Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, IFoF

và BBoF dựa trên kĩ thuật RHD trong việc tạo ra tín hiệu RF Sau đây xin đi vào chi tiết các phương thức truyền tải tín hiệu RF và thảo luận các ưu cũng như nhược điểm của chúng

a Tạo tín hiệu RF bằng IM-DD

Phương pháp đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF là điều chế trực tiếp cường độ của nguồn sáng với chính tín hiệu RF và sử dụng tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang để khôi phục lại tín hiệu RF Phương pháp này được liệt vào kiểu IM-DD hoặc RFoF Có 2 cách để điều chế nguồn sáng Một là để cho tín hiệu RF điều chế trực tiếp dòng điện của laser diode Cách thứ hai là vận hành laser ở chế độ sóng liên tục và sử dụng bộ điều chế ngoài như bộ điều chế MZM để điều chế cường độ ánh sáng Hai trường hợp trên được minh họa trong hình 2.5 Trong cả hai trường hợp, tín hiệu điều chế là tín hiệu RF thực sự Tín hiệu RF phải được điều chế với số liệu trước khi phát đi

Sau khi truyền qua sợi quang và tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang, dòng tách quang sẽ là một bản sao của tín hiệu RF đã điều chế tại trạm trung tâm Dòng tách quang đi qua bộ khuếch đại phối hợp nhằm tăng biên độ điện áp trước khi kích thích antenna Nếu như bản thân tín hiệu RF được sử dụng để điều chế tại máy phát thì tự nó

đã được điều chế với dữ liệu rồi, thì tín hiệu RF được tách tại máy thu sẽ mang dữ liệu giống như vậy Kiều điều chế dữ liệu như vậy gọi là được dành trước Hầu hết các hệ thống RoF, bao gồm các hệ thống RoF IM-DD đều sử dụng sợi quang đơn mode Tuy nhiên, việc sử dụng kĩ thuật IM-DD RoF cho việc truyền tải các tín hiệu RF qua sợi quang đa mode đã được áp dụng cho các tín hiệu WLAN dưới 6 GHz qua các thực nghiệm

 Ưu điểm của IM-DD

Ưu điểm của phương pháp này là sự đơn giản Thứ hai, nếu như sợi tán sắc thấp được sử dụng cùng lúc với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính), hệ thống sẽ trở nên tuyến tính Do đó, tuyến quang hoạt động chỉ như một bộ khuếch đại hay bộ suy hao

và vì thế trong suốt với dạng điều chế của tín hiệu RF Điều đó có nghĩa là tín hiệu được điều chế theo biên độ AM hay theo các định dạng điều chế nhiều mức như xQAM đều có thể được truyền tải, dẫn đến hệ thống cần nâng cấp rất ít thậm chí là không cần, bất kể khi nào có thay đổi trong việc điều chế tín hiệu RF diễn ra Ghép kênh theo sóng mang con SCM cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống này Hơn thế nữa, không giống như điều chế laser ngưỡng trực tiếp, các bộ điều chế ngoài như MZM có thể được điều chế với các tín hiệu sóng mm xấp xỉ 100GHz, mặc dù phương pháp này sẽ có chi phí công suất lớn cũng như các yêu cầu về tuyến tính hóa

Hình 2.5: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp (a) Sử dụng laser (b) Sử dụng bộ điều chế ngoài

Nhược điểm của kĩ thuật RFoF hay IM-DD là rất khó để sử dụng cho các ứng dụng sóng mm Bởi vì để tạo ra các tín hiệu tần số cao hơn như các sóng mm thì tín hiệu điều chế phải ở cùng tần số cao đó Sử dụng điều chế laser trực tiếp, điều đó là không thể vì lí do băng thông hạn chế và điều kiện phi tuyến, đồng thời gây ra sự điều chế qua lại sẽ tạo ra các thành phần gây nên tán sắc Mặt khác, các bộ điều chế ngoài như MZM có thể hỗ trợ các tần số RF cao Tuy nhiên, chúng đòi hỏi điện áp điều khiển cao, dẫn tới các bộ khuếch đại điều khiển sẽ rất đắt

Một nhược điểm nữa của RFoF là sự nhạy cảm đối với tán sắc màu – hiện tượng sẽ dẫn tới sự suy giảm biên độ của tín hiệu RF phụ thuộc vào tần số hoặc chiều dài nếu như sử dụng điều chế hai băng DSB Ảnh hưởng của việc suy giảm biên độ có thể mô hình hóa bởi hàm điều chế của hệ thống điều chế ngoài IM-DD, được cho bởi công thức sau:

(2.4)

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Trong đó ω m là tần số điều chế, β 2 là đạo hàm bậc 2 của hằng số truyền lan β (i.e β 2

= d 2 β/ d 2 ω), L f là chiều dài sợi và τ = t - (z/υ g ) với υ g là vận tốc nhóm Từ công thức này, chiều dài lớn nhất của sợi quang trước khi tín hiệu bằng 0 đối với hệ thống IM-

DD 60 GHz hoạt động tại 1550 nm có thể bị giới hạn xuống chỉ 1,5 km Có thể khắc phục sự suy giảm biên độ bằng việc sử dụng các kĩ thuật tránh tán sắc như điều chế dải đơn biên quang OSSB, phương pháp này sẽ loại trừ đi việc truyền dẫn dải biên hai bằng việc lọc đi một dải biên hoặc sẽ sử dụng cả 2 bộ điều chế cường độ điều khiển Tất cả những điều này sẽ khiến cho hệ thống IM- DD RoF sử dụng điều chế OSSB trở nên phức tạp hơn

b Tạo tín hiệu RF bằng kĩ thuật tách Heterodyne đầu xa RHD

Hầu hết các kĩ thuật RoF đều dựa trên nguyên lý kết hợp trong bộ tách sóng quang

để tạo ra các tín hiệu RF Các kĩ thuật này được gọi chung là kĩ thuật RHD (hình 2.6

và 2.9) Trong khi bộ chuyển đổi quang điện O/E hoạt động, bộ tách sóng quang sẽ hoạt động như một bộ kết hợp và do đó nó là thành phần chủ chốt trong các hệ thống RoF dựa trên RHD

Nguyên lý kết hợp có thể được minh họa như sau Hai trường quang có tần số góc tương ứng ω1 và ω2 được biểu diễn dưới dạng:

(2.5)(2.6)Nếu cả hai trường tới tác động vào bộ tách quang PIN, dòng tách quang thu được trên bề mặt sẽ tỉ lệ với bình phương của tổng các trường quang Dòng tách quang danh định iPD là:

số nào Giới hạn trên duy nhất của tần số tín hiệu có thể tạo ra bởi phương pháp này là

sự giới hạn băng thông của bản thân bộ tách sóng quang Nếu xem xét tín hiệu công suất quang thay vì các trường quang, thì dòng tách quang được sinh ra có thể được mô

tả bằng công thức (2.9):

(2.9)

trong đó R là độ nhạy của bộ tách sóng quang, t là thời gian, p 1 (t) và p 2 (t) là các giá trị công suất quang tức thời tương ứng với các tần số tức thời ω 1 (t) và ω 2 (t) Các pha

tức thời của tín hiệu tương ứng là φ1 (t), φ1 (t).

Công thức (2.9) cho thấy tính ổn định của tần số tức thời của tín hiệu sinh ra bởi kĩ thuật RHD phụ thuộc vào sự khác biệt tần số tức thời giữa 2 sóng mang quang được kết hợp với nhau Vì thế, trong kĩ thuật RHD, cần thiết phải điều khiển sự khác nhau giữa tần số tức thời một cách chính xác nhằm giữ cho tần số của tín hiệu được sinh ra ổn định Hay nói một cách khác, sự dịch chuyển các tần số phát xạ không quan trọng bằng độ lệch giữa chúng Thông thường, chỉ một trong 2 sóng mang được điều chế với dữ liệu Công thức (2.9) cũng chỉ ra rằng nhiễu pha của tín hiệu được tạo ra bị ảnh hưởng bởi độ rộng phổ quang của 2 sóng mang quang (bằng với tổng độ rộng phổ của các sóng mang quang)

Ưu điểm của RHD

Bằng việc sử dụng heterodye quang, các tần số rất cao có thể được sinh ra và chỉ bị hạn chế bởi băng thông của bộ tách sóng, đồng thời cũng tạo ra công suất tách cao (độ lợi liên kết lớn hơn) và tỉ số CNR cao hơn Đó là bởi vì các công suất quang của 2 trường quang góp phần vào công suất của tín hiệu sóng ngắn được tạo ra Nếu chỉ một trong hai sóng mang quang được điều chế với dữ liệu , độ nhạy hệ thống đối với tán sắc màu có thể được khống chế rõ rệt Điều này là không thể đối với các phương pháp dựa trên điều chế cường độ trực tiếp khi cả hai dải biên quang sẽ đều được điều chế với dữ liệu Việc giảm các tác động của tán sắc màu là rất quan trọng trong các dạng điều chế nhạy với nhiễu pha như là xQAM – khi tán sắc sẽ gây ra sai hụt công suất Một đặc tính quan trọng của RHD là nó cho phép việc điều chế dữ liệu tần thấp tại trạm trung tâm dẫn tới không yêu cầu các thiết bị điện-quang tần số cao Vì thế, ngược lại với IM-DD, bộ điều chế RHD tại trạm trung tâm có thể được vận hành với hoặc dữ liệu băng tần gốc hoặc tín hiệu RF tần thấp Tại RAU, các bộ lọc tần số sóng mm sẽ không cần thiết trong trường hợp sử dụng dữ liệu băng gốc Ngoài ra, RHD có khả năng tạo ra các tín hiệu với độ sâu điều chế cường độ 100%, cùng với nhiều ưu điểm trong việc xử lý tín hiệu quang và các chức năng hệ thống vô tuyến như điều khiển pha, lọc và chuyển đổi tần số

Nhược điểm của RHD

Nhược điểm chính của RHD là ảnh hưởng mãnh mẽ của nhiễu pha laser và sự biến đổi tần số quang lên sự ổn định đối với các sóng mang RF được sinh ra Bởi vì các laser bán dẫn có độ rộng phổ lớn nên bắt buộc phải sử dụng các biện pháp phụ để giảm

đổ rộng phổ của tín hiệu RF được sinh ra Các biện pháp này thường dẫn tới các hệ thống phức tạp hơn Các kĩ thuật được sử dụng để giảm độ nhạy nhiễu pha bao gồm các vòng khóa pha quang OPLL và khóa bơm quang OIL

Phân loại các kĩ thuật RHD

Xuất phát từ việc tần số phát xạ laser nhạy cảm cao đối với sự thay đổi nhiệt độ, nhiễu pha và các ảnh hưởng khác, các kĩ thuật khác nhau để duy trì độ lệch tần số yêu

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

cầu chũng như ảnh hưởng của nhiễu pha sẽ được sử dụng Có rất nhiều cách để tạo ra

2 sóng mang quang phục vụ cho heterodyne kết hợp Phương thức thứ nhất là sử dụng

bộ điều chế pha quang để tạo ra rất nhiều dải biên tần quang, sau đó chọn các biên tần cần thiết Phương thức còn lại là sử dụng hai nguồn quang laser riêng biệt Hai diode laser được tạo ra để phát xạ ánh sáng tại các tần số (bước sóng) cách nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến mong muốn Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh độ lệch tần

số giữa 2 laser, bao gồm:

- Optical Frequency-Locked Loop (OFLL)

- Optical Phased-Locked Loop (OPLL)

- Optical Injection Locking (OIL)

- Optical Injection Phase-Locked Loop (OIPLL)

Kĩ thuật điều tần kết hợp lọc quang (Optical FM-Filter) là một kĩ thuật thuộc phương pháp thứ nhất đã nêu trên, là kĩ thuật đơn laser được điều chế tần số quang bằng cách sử dụng một tín hiệu điện để điều khiển Khi đó laser sẽ phát ra một chuỗi

các vạch phổ quang cách đều nhau mọt khoảng chính bằng tần số điều khiển f o như trong hình 2.6 Hai vạch phổ biên quang cách nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến

fRF mong muốn sẽ được lựa chọn nhờ sử dụng bộ lọc quang Các sóng quang được lựa chọn sau đó sẽ đi đến bộ tách sóng quang và trộn kết hợp với nhau để tạo ra tín hiệu

RF mong muốn

Hai phương pháp được sử dụng phổ biến để lựa chọn các vạch phổ biên yêu cầu là

- Lọc quang– còn được đề cập như là cắt lát phổ

- Các laser khóa bơm

Hình 2.6: Nguyên lý điều tần kết hợp lọc quang

Sử dụng một bộ lọc quang, các vạch phổ mong muốn sẽ được lựa chọn trong khi phần còn lại sẽ bị loại bỏ Trong một thực nghiệm, phương pháp này được sử dụng để chuyển các tín hiệu sóng mm tại 54, 90, 126 GHz tới một bộ RAU cách 9km bằng sợi quang đơn mode Một bộ điều chế pha quang sẽ được vận hành bởi một tín hiệu IF tại băng tần 13.5 GHz hoặc 22.5 GHz, để tạo ra một chuỗi các dải biên Một giao thoa kế FFPI hay còn gọi là bộ lọc sợi quang điều chỉnh được Fabry-perot được sử dụng để lựa chọn ra 2 vạch phổ riêng biệt bằng tần số sóng mm mong muốn Bộ FFPI có một dải phổ tự do FSR tại 17.963 GHz và Finesse = 100 Tín hiệu quang được lọc sẽ được

truyền dẫn qua suốt chiều dài của tuyến quang, được khuếch đại, và tách sóng với một

bộ trộn quang dựa trên ống dẫn sóng Công suất của tín hiệu sóng mm được tách tại 90Ghz là khoảng -8dBm Nhiễu pha đo được của tín hiệu 90 GHz với khoảng cách

100 kHz là khoảng -95 dBc/Hz, cao hơn 13 dB hơn so với tín hiệu tham chiếu 22.5 GHz Tuy nhiên, có 2 vấn đề với phương pháp này là : độ nhạy phân cực của bộ trộn quang, và vùng điều chỉnh rất hạn chế, chỉ khoảng 360 MHz (6dB)

Phương pháp thứ 2 là sử dụng các laser được khóa bơm để lựa chọn các vạch phổ mong muốn để thực hiện heterodyne

Ưu điểm của phương pháp điều tần kết hợp lọc quang

Do các vạch phổ trộn được sinh ra bởi cùng nguồn laser, nên chúng sẽ tương quan với nhau Vì thế kĩ thuật lọc điều tần có khả năng tạo ra các tín hiệu sóng mm tần cao với độ rộng phổ hẹp

Nhược điểm của phương pháp điều tần kết hợp lọc quang

Nhược điểm chính của phương pháp này là trên thực tế các hệ thống lựa chọn

vạch phổ phải “bắt” một cách chính xác bất kì sự dịch vị trí nào của các vạch phổ

Vì thế ta sẽ cần có bộ lọc quang đặc biệt (high-Q) Các vấn đề này đều hướng đến gia tăng độ phức tạp của hệ thống RoF Hơn thế nữa, khả năng điều chỉnh của hệ thống là rất giới hạn (Ví dụ : chỉ 360 MHz tại 90 GHz)

Hình 2.7: Heterodyne đầu xa sử dụng bộ lọc để lựa chọn các vạch phổ dùng để

Cấu hình cơ bản của kĩ thuật OFLL và OPLL được chỉ ra trong hình 2.8, bao gồm một laser chủ (master) chạy tự do, một bộ tách sóng quang kiểu PIN, một bộ khuếch đại vi ba, một bộ tách pha hoặc tần, một bộ lọc vòng, một laser tớ (slave) và một bộ dao động tham chiếu vi ba Các đầu ra là kết hợp của các laser chủ và laser tớ được chia thành 2 phần Phần của tín hiệu quang sẽ được sử dụng trong bộ vòng khóa pha/tần OPLL/OFLL tại trạm trung tâm trong khi phần còn lại sẽ được truyền tới RAU Tín hiệu quang tại trạm trung tâm sẽ được heterodyne trên một bộ tách quang

để tạo ra một tín hiệu vi ba Tín hiệu vi ba được tạo ra được đem so sánh với tín hiệu tham chiếu Một tín hiệu lỗi pha trong trường hợp sử dụng OPLL (hoặc một tín hiệu lỗi tần nếu sử dụng OFLL) sẽ được đưa lại tới laser tớ Bằng cách này, laser tớ sẽ được

ép hoạt động theo laser chủ tại tần số lệch (offset) so với với tần số của bộ dao động tham chiếu vi ba

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Giống như tên gọi của kĩ thuật, vòng khóa tần quang OFLL cố gắng duy trì tần số lệch trung bình mong muốn Nó không khử các sai lệch tần số cỡ nhỏ gây ra bởi nhiễu pha Mặt khác, vòng khóa pha quang OPLL có thể theo sát được các sai lệch pha cỡ nhỏ Một hệ thống OPLL được dựa trên các laser bán dẫn có khả năng tạo ra các tín hiệu vi ba lên tới 14Ghz

Ưu điểm của OFLL/ OPLL

Bởi vì các kĩ thuật OPLL theo sát được những thay đổi pha nhỏ, nên nó có khả năng tạo ra các tín hiệu RF chất lượng cao với độ rộng phổ hẹp OPLL cũng có các khả năng chịu nhiệt tốt Hơn nữa, OPLL cho ta một dải khóa rộng Mặt khác, các kĩ thuật OFLL có ưu điểm là nó có thể được hiện thực hóa với các laser hồi tiếp phân bố DFB chuẩn và tương đối rẻ

Nhược điểm của OFLL/OPLL

Nhược điểm chính của các kĩ thuật OFLL là chúng tạo ra các tín hiệu vi ba với độ rộng phổ lớn Độ rộng vạch phổ của tín hiệu được tạo ra bởi hệ thống OFLL là không bằng phẳng so với tổng của các vạch phổ của laser Thực tế là OFLL chỉ duy trì tần số lệch trung bình Hơn thế nữa, tần số tức thời của tín hiệu vi ba được sinh ra bằng với

sự sai khác tín hiệu tức thời giữa 2 trường quang phách Vì thế, để tạo ra các tín hiệu

vi ba phổ hẹp khi sử dụng OFLL cần phải có các laser phổ hẹp Tuy nhiên, giới hạn độ rộng phổ nguồn sẽ hạn chế công suất lớn nhất có thể truyền trên sợi quang mà không

bị suy hao nghiêm trọng gây ra bởi tán xạ Brillouin cưỡng bức SBS Do đó, độ rộng phổ tối thiểu trên thực tế luôn có một giới hạn

Hình 2.8: Nguyên lý vòng khóa pha/ tần quang

Hạn chế lớn nhất của OPLLs là nó đòi hỏi các cấu trúc laser vô cùng phức tạp như các DFB 3 cực Đòi hỏi này xuất phát từ thực tế là tốc độ điều chỉnh của laser tớ phải

đủ cao nếu muốn bắt kịp các thay đổi tần số của laser chủ Điều này cũng dẫn tới băng thông hồi tiếp đủ luôn sẵn sàng Băng thông hồi tiếp mong muốn được quyết định bởi

các yếu tố như độ rộng phổ laser tổng cộng, các yêu cầu đối với ổn định vòng, và các đòi hỏi nhiễu pha đối với tín hiệu vi ba bởi hệ thống sử dụng OPLL Một băng thông hồi tiếp rộng là cần thiết nếu như các laser bán dẫn do chúng có tổng nhiễu pha lớn

Để đạt được băng thông hồi tiếp lớn thì trễ truyền lan vòng lặp phải nhỏ Hơn thế nữa, các băng thông đáp ứng của các thành phần vi ba, cùng với đáp ứng điều tần của laser

tớ phải rộng và đồng đều về cả biên độ lẫn pha Các đòi hỏi này không dễ có thể đáp ứng đượcvà đó đều là các thách thức trong việc thiết kế và xây dựng các OPLL

Khóa bơm quang OIL là một kĩ thuật bao gồm điều chế laser chủ với một tín hiệu

tần thấp f REF Phổ của laser chủ vì thế bao gồm rất vạch phổ được cách nhau các

khoảng bằng tần số hài con, f REF Tín hiệu dùng điều chế của laser chủ là tín hiệu tham

chiếu Một phần của đầu ra của laser chủ được đưa tới laser tớ Bởi vì f REF là một hài con của tần số cộng hưởng của laser tớ, nên sẽ có một dải biên thứ n của đầu ra laser chủ sẽ trùng khớp với tần số của laser tớ như trong hình 2.9 Điều này sẽ làm cho laser

tớ hoạt động gắn với tần số dải biên của laser chủ và cộng hưởng tại đây Độ lệch tần

số phát xạ giữa laser tớ so với của laser chủ vì thế sẽ biến đổi theo tần số trung tâm của

laser chủ và tín hiệu tham chiếu fREF Nếu fREF được giữ không đổi, tần số phát xạ của laser tớ sẽ có thể gắn liền với những biến đổi của tần số phát xạ của laser chủ, giữ cho tần số của tín hiệu sóng mm được phát ra không đổi, đồng thời giúp ta có thể sử dụng các tín hiệu tham chiếu tần số thấp Sử dụng kĩ thuật OIL cho phép sử dụng các laser phổ rộng để tạo ra các tín hiệu điện ổn định phổ hẹp Hơn thế nữa, OIL khử nhiễu pha khá tốt bởi các dải biên kết hợp có pha tương quan với nhau Tuy nhiên, nhược điểm chính của kĩ thuật khóa bơm quang là dải điều chỉnh tần số nhỏ Sự triệt tiêu nhiễu pha tối ưu chỉ xảy ra tại điểm mà laser tớ điều chỉnh tương ứng với tần số dao động tự do

Hình 2.9: Nguyên lí khóa bơm quang

Kĩ thuật vòng khóa pha bơm quang (OIPLL), được minh họa trong hình 2.10, kết hợp nguyên lý hoạt động của cả vòng lặp khóa pha quang OPLL và khóa bơm quang

OFDM-RoF Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

OIL, nhằm kết hợp ưu điểm và bù đắp yếu điểm của 2 công nghệ cho nhau Trong hệ thống OIPLL, laser chủ được điều chế tại tần số hài con của sóng mm mong muốn giống như trong OIL Một phần nhỏ của đầu ra của laser chủ sau đó được bơm vào trong laser tớ diode thông qua bộ xoay vòng quang Laser tớ sau đó được điều chỉnh

để khóa phổ hài thứ n của ánh sáng của laser chủ được bơm vào Các đầu ra của cả master lẫn laser tớ được kết hợp để gửi tới đầu ra Giống như trong kĩ thuật khóa bơm quang OIL, tần số sóng mm mong muốn là độ lệch giữa 2 tần số quang Một phần nhỏ của tín hiệu quang kết hợp được gửi tới vòng lặp khóa pha quang OPLL Tại bộ tách quang sẽ thực hiện quá trình heterodyne Tín hiệu vi ba được tạo ra tại bộ tách quang

sẽ được khuếch đại và sau đó đem so sánh với tín hiệu chuẩn Việc so sánh này diễn ra tại bộ kết hợp cân bằng - bộ phận mà tại đó sẽ được bơm vào các hài con Đầu ra sau

đó được đưa qua bộ lọc vòng Tín hiệu sau khi được lọc sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện và sau đó được cộng vào với dòng bơm của laser tớ Bằng cách này, các cơ chế điều chỉnh 2 pha OIL và OPLL sẽ được kết hợp với nhau

Ưu điểm của OIPLL

OIPLL có các ưu điểm là nhiễu pha thấp của OIL trong khi có vùng khóa rộng của OPLL Thêm vào đó, trễ truyền lan vòng lặp thấp được đòi hỏi đối với OPLL trở nên ít quan trọng hơn Hơn thế nữa, OIPLL không đòi hỏi các lasers phổ hẹp nhưng hoạt động vẫn tốt với các laser phổ rộng có giá thành thấp hơn

Hình 2.10: Nguyên lý vòng lặp khóa pha bơm quang OIPLL

Nhược điểm của OIPLL

Các nhược điểm của OIPLL chủ yểu là do độ phức tạp của bản thân hệ thống, xuất phát từ sự kết hợp giữa 2 công nghệ tương đối phức tạp

 Các laser hai mode

Một nhược điểm chính của các kĩ thuật dựa trên heterodyne quang là độ nhạy đối với nhiễu pha của 2 tín hiệu được heterodyne, và sự phụ thuộc của tín hiệu phách RF vào trạng thái phân cực của 2 sóng mang được sử dụng để heterodyne Rất nhiều kĩ thuật được sử dụng để cải thiện nhiễu pha tín hiệu phách đã được mô tả ở phần trên Một cách khác để giảm nhiễu pha tín hiệu phách là đảm bảo cho các mode quang dùng

để heterodyne tương quan với nhau Khi điều này xảy ra, nhiễu phách sẽ bị xóa bỏ Sự tương quan của các mode quang có thể đạt được bằng việc có cả 2 mode quang trong cùng khoang cộng hưởng Điều này có thể có được bằng việc gỡ bỏ độ dịch pha trong laser DFB để không có dao động tại tần số Bragg, dẫn tới sự ra đời một thiết bị được gọi là laser hai mode DML bởi vì nó phát xạ 2 mode – mỗi mode trên một phía của tần

số Bragg Sự tách riêng mode yêu cầu sẽ có được bằng việc điều chỉnh hệ số chiều dài cách tử

Ưu điểm chính của DML là nó không đòi hỏi mạch điện hồi tiếp phức tạp cũng như các phương pháp khóa bơm quang khác được đề cập ở trên Tuy nhiên, phương pháp

có giới hạn là khả năng điều chỉnh, xuất phát từ vùng khóa hẹp của nó

c Tạo tín hiệu RF bằng các kĩ thuật dựa trên việc tạo đa hài

Kĩ thuật chuyển đổi FM-IM là một kĩ thuật khá lí thú phát triển dựa trên tán sắc màu không mong muốn của sợi quang Việc chuyển đổi một tín hiệu được điều tần FM thành một được điều chế theo cường độ IM được diễn ra bằng chính tán sắc màu của sợi quang Một laser được điều tần FM một cách quang học bằng việc sử dụng tín hiệu điều khiển tới một trong các đầu cuối của nó Tín hiệu quang được điều tần FM sau đó truyền trên sợi quang và chịu tán sắc Dựa trên ảnh hưởng của tán sắc màu, pha liên quan của các dải biên quang sẽ được thay thế dẫn tới các dao động cường độ ánh sáng tại các hài của tần số điều khiển Kĩ thuật này tạo ra các sóng vi ba đã được nghiên cứu

lý thuyết và thực nghiệm Trong trường hợp tín hiệu quang được điều chế FM và sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc màu, cường độ quang tức thời nhận được sau khi truyền thông qua sợi quang sẽ cho bởi công thức là:

(2.10)Trong đó Ip là thành phần hài thứ p của biến cường độ được cho bởi công thức 2.7

và I 0 là dòng tách quang một chiều Thông số ω là tần số góc điều chế và là pha của

hài thứ p Cường độ hài, I p được cho bởi công thức:

(2.11)

Trong đó J p (x) là hàm Bessel loại một, β là hệ số điều chế (hoặc là hệ số điều chế

pha) và φ là góc đặc trưng cho tán sắc sợi được cho bởi: