Nghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụng (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụngNghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụngNghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụngNghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụngNghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụngNghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG VĂN VÕ

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Thân Văn Tịnh

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực

cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS HOÀNG VĂN VÕ, Thầy đã trực tiếp

hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn thiện

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, những người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được nghiên cứu và học tập trong môi trường tốt nhất

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình cùng tất cả bạn bè đã luôn động viên, khích lệ tôi trong cuộc sống cũng như trong quá trình học tập, nghiên cứu luận văn thạc sĩ này

Hà Nội, tháng 6 năm 2016

Học viên

Thân Văn Tịnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG 3

1.1Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM [15] 3

1.2 Mô hình hệ thống OFDM quang 5

1.3 Các khối chức năng 6

1.3.1 Khối phát RF OFDM 6

1.3.2 Khối chuyển RF sang quang 13

1.3.3 Kênh truyền quang và bộ khuếch đại quang 16

1.3.4 Khối chuyển quang sang RF 19

1.3.5 Khối thu RF OFDM 19

1.4 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 21

1.4.1 Ưu điểm của OFDM 21

1.4.2 Nhược điểm của OFDM 21

1.5 Kết luận chương 1: 22

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF 23

2.1 Tổng quan hệ thống truyền dẫn RoF 23

2.1.1 Giới thiệu chung 23

2.1.2 Kiến trúc hệ thống RoF 24

2.2 Các ưu, nhược điểm của công nghệ RoF 25

2.2.1 Các ưu điểm của công nghệ RoF 25

2.2.2 Các hạn chế của công nghệ RoF 29

2.3 Các kỹ thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang [2] 29

2.3.1 Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật IM-DD 30

2.3.2 Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa RHD 31

2.4 Ứng dụng của hệ thống RoF 34

2.4.1 Mạng tế bào 34

2.4.2 Thông tin vệ tinh 34

2.4.3 Hệ thống phân phối video 35

2.4.4 Các dịch vụ di động băng rộng 35

2.4.5 Mạng cục bộ không dây (WLAN) 35

2.4.6 Mạng cho các phương tiện giao thông 36

2.5 Kết luận chương 2 36

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG RoF VÀ ỨNG DỤNG 38

3.1 Giới thiệu 38

3.2 Kỹ thuật ghép kênh trong RoF 40

3.2.1 Ghép kênh sóng mang con SCM trong các hệ thống RoF 40

3.2.2 Ghép kênh phân chia theo bước sóng trong hệ thống RoF 42

3.3 OFDM quang trong hệ thống RoF 44

3.3.1 Tổng quan về OFDM quang trong hệ thống RoF 44

3.3.2 Mô hình OFDM kết hợp RoF 46

3.4 Ứng dụng hệ thống OFDM trong ROF dùng cho mạng thông tin di động 4G LTE/LTE Advanced 48

3.4.1 Giới thiệu công nghệ 4G LTE/LTE Advanced 48

3.4.2 Ứng dụng hệ thống OFDM trong RoF dùng cho mạng thông tin di động 4G LTE/LTE Advanced 56

3.5 Kết luận chương 3 70

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

APD Amflify and forward Khuếch đại và chuyển tiếp BBOF Baseband-over-fiber Tín hiệu băng gốc qua sợi

quang

CS Channel state infomation Thông tin trạng thái kênh

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình quảng bá số

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexxing Ghép kênh phân chia theo

bước sóng ghép chặt EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang pha tạp

đất hiếm FEC Forward Error Correction Sự sửa lỗi trước

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống di động toàn cầu

IM-DD Intensity Modulation - Direct Detector Điều chế cường độ và tách sóng

trực tiếp ICI Inter Carrier Interference Can nhiễu giữa các sóng mang ISI Inter Symbol Interference Can nhiễu giữa các kí tự

MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder OFA Optical fiber amplifier Khuếch đại quang sợi

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PARP Peak to Average Power Ratio

QAM Quadrature Amplifier Modulation Điều chế biên độ cầu phương

RHD Remote Heterodyne Detector Tách sóng Heterodyne đầu xa

quang RVC Road Vehicle Communication Truyền thông giữa các phương

tiện giao thông SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SCM Sub-Carrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang con UMTS Universal Mobile Telecommunications

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 so sánh LTE với LTE – Advanced 55

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phổ của các sóng mang trực giao 4

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống OFDM quang 5

Hình 1.3 Bộ chuyển đổi S/P và Bộ chuyển đổi P/S 7

Hình 1.4 Bộ sắp xếp kí tự 7

Hình 1.5 Bộ IFFT và bộ FFT 8

Hình 1.6 Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ 10

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ 11

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng 11

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix 12

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D 13

Hình 1.11 Sơ đồ điều chế quang trực tiếp 13

Hình 1.12 Sơ đồ điều chế gián tiếp 14

Hình 1.13 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator 14

Hình 1.14 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn 15

Hình 1.15 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi 16

Hình 1.16 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc có đường kính sợi lõi khoảng 50m (SI:Step Index) 17

Hình 1.17 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index) 17

Hình 1.18 Sợi quang đơn mode (SM:Single Mode) 18

Hình 1.19 Bộ khuếch đại EDFA 19

Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ thu quang coherent 20

Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống RoF 25

Hình 2.2: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp 31

Hình 2.3: Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng heterodyne 32

Hình 3.1: Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự 41

Hình 3.2: Sự kết hợp DWDM trong RoF 42

Hình 3.3: DWDM trong RoF 43

Hình 3.4: Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM 43

Hình 3.5: Mô hình OFDM kết hợp với RoF 46

Hình 3.6 Kiến trúc của mạng LTE 54

Hình 3.7 Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ với các tốc độ hoạt động khác nhau 57

Hình 3.8 Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF vào hệ thống truyền tải mạng di động LTE/LTE-Ad tại trung tâm các thành phố 58

Hình 3.9: Khối thu phát OFDM quang TRXi 59

Hình 3.10: Cấu trúc trạm cơ sở BSi tại mạng truy nhập vô tuyến của LTE/LTE-Ad và thiết bị đầu cuối người sử dụng 60

Hình 3.11 Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF kết hợp WDM vào hệ thống truyền tải mạng di động LTE/LTE-Ad cho vùng ngoại ô và nông thôn 63

Hình 3.12 Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF vào hệ thống truyền tải mạng di động LTE/LTE-Ad cho các tòa nhà cao tầng 67

Hình 3.13 Ví dụ về cách bố trí BS mỗi tầng:(a) Tầng nhiều vật cản (b) Tầng ít vật cản 69

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 đời và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng 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 Đây cũng chính là lí do để em lựa chọn đề tài Nghiên cứu

công nghệ OFDM quang trong RoF và ứng dụng

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Công nghệ OFDM quang: Chương này sẽ đi tìm hiểu về kỹ thuật

OFDM, các thành phần trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM Nêu lên được ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM và tìm hiểu mô hình hệ thống

OFDM quang với từng khối chức năng trong mô hình đó Đồng thời tìm hiểu các

phương pháp điều chế và tách sóng OFDM quang

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF: Chương này sẽ trình bày về mô hình

hệ thống RoF, các kĩ thuật nhằm phân phối tín hiệu RF qua các liên kết sợi quang, các

ưu điểm, nhược điểm của RoF và cuối cùng là đưa ra các ứng dụng của RoF

Chương 3: Công nghệ OFDM quang trong RoF và ứng dụng: Chương này

sẽ tìm hiểu về các kĩ thuật ghép kênh trong RoF, mô hình hệ thống OFDM trong RoF

và đưa ra ứng dụng hệ thống OFDM trong RoF dùng cho mạng thông tin di động 4G LTE/LTE Ad: Tại các trung tâm thành phố, tại các vùng ngoại ô, nông thôn và tại các tòa nhà cao tầng của Việt Nam

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu nhưng luận văn không thể tránh khỏi được những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG 1.1Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM [15]

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM) Đây là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó nguyên lý cơ bản của nó là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn

và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một số sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Khi đó phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Sau đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu rõ hơn về tính trực giao giữa các sóng mang trong kỹ thuật OFDM 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 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

Xét một tập các sóng mang con: f n(t), n 0,1, , N 1.t  1  t t2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi [15] tr.25:

0

0, 1

Hình 1.1 Phổ của các sóng mang trực giao

1.2 Mô hình hệ thống OFDM quang

OFDM quang là một hệ thống truyền tải tín hiệu vô tuyến quang dựa trên nguyên lý: Tín hiệu dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải sẽ được biến đổi từ nối tiếp sang song song sau đó được đưa vào ghép kênh theo tần số trực giao Sau đó các tín hiệu được đưa vào điều chế quang để chuyển từ tín hiệu vô tuyến ghép kênh theo tần số trực giao sang tín hiệu quang và được truyền tải qua sợi quang đến đầu thu Ở phía thu

sẽ thực hiện quá trình ngược lại chuyển từ tín hiệu quang sang tín hiệu vô tuyến ghép kênh theo tần số trực giao Sau đó sẽ thực hiện giải điều chế ghép kênh theo tần số trực giao và biến đổi tín hiệu song song thành tín hiệu nối tiếp để có được tín hiệu dữ liệu

ra ban đầu

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống OFDM quang

Từ hình 1.2 cho thấy dữ liệu đầu vào sẽ được đưa vào bộ RF OFDM phía phát sau đó sẽ được chuyển tới bộ RF sang quang (RTO) qua đường truyền quang Trên đường truyền quang tín hiệu sẽ được khuyếch đại quang, đưa tới bộ chuyển quang sang RF (OTR) và đưa tới bộ RF OFDM phía thu Ta sẽ thu được dữ liệu tại đầu ra

1.3 Các khối chức năng

Hệ thống OFDM quang gồm các khối chức năng cơ bản sau đó là:

- Khối phát RF OFDM

- Khối chuyển đổi từ RF sang quang (RTO)

- Đường truyền quang và khuyếch đại quang

- Khối chuyển đổi quang sang RF (OTR)

- Khối thu RF OFDM

Sau đây luận văn sẽ chình bày chức năng của các khối đó

1.3.1 Khối phát RF OFDM

Khối phát RF OFDM bao gồm bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P), bộ ánh

xạ kí tự sóng mang con, bộ điều chế IDFT, bộ chèn khoảng bảo vệ GI và bộ biến đổi D/A

a)Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P-P/S)

Tín hiệu tại đầu vào được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song S/P

Bộ chuyển đổi S/P này có tác dụng 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 Trong đó k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp để băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyển trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng

Dưới đây là sơ đồ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và bộ chuyển đổi song song-nối tiếp bên phía thu Tại phía thu thì sẽ là quá trình ngược lại, ghép luồng dữ liệu có tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu có tốc độ cao duy nhất

Hình 1.3 Bộ chuyển đổi S/P và Bộ chuyển đổi P/S

b) Bộ sắp xếp kí tự

Mô hình bộ sắp xếp kí tự được mô tả ở hình sau:

Hình 1.4 Bộ sắp xếp kí tự Trong đó, từng kí hiệu b bit sẽ được đưa vào bộ sắp xếp kí tự lên sóng mang con Mà ở đây chính là bộ ánh xạ (mapper) mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền Một kí hiệu b bit sẽ tương ứng một trong M  2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao (constellation)

Ngược lại bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong giản đồ chòm sao thành dữ liệu b bit tương ứng Các phép điều chế có thể như sau:

-BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0 hoặc

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

- QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dbit), 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

c) Bộ biến đổi IFFT/FFT

Hình 1.5 Bộ IFFT và bộ FFT Trong kỹ thuật OFDM thì việc 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 để tạo nên nhiều sóng mang phụ 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 [13]

Ta gọi: Chuỗi tín hiệu vào X(k), 0  k  N 1 Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là f Chu kỳ của một Symbol OFDM là T s Tần số trên sóng mang thứ k là

Nếu thỏa mãn điều kiện trực giao fT s 1 tức là 1

s

f T

  thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này công thức (1.7) được viết lại:

1      

2 / 0

.

N

j nk N a

có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Ở đầu thu, Symbol x x0, , ,1 x N1 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 x0, , ,1 x N1để thu lại symbol

0 , X , , 1 N 1

  Lý tưởng thì X k  X k

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, trong trường hợp lý tưởng (x a x a ) ta có:

m

N

X m n e N

X m N m k N

n

   



d) Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI

Hình 1.6 Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ 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 kí tự, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol t s của các frame FFT liên tiếp ( trong miền thời gian) [6]

ICI (Inter – Carrier Interference): Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchanels) của cùng một frame FFT (trong miền tần số) [6]

Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập tần số của các kênh phụ [1] 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 bandwwith, tức là độ rộng của một symbol có ích t ssẽ lớn hơm trải trễ của kênh truyền

- Tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ G được mô tả ở hình 1.7 Ta có thể nhận thấy, tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ  G thì tín hiệu trễ từ symbol i-1 sẽ lấn sang tín hiệu symbol i, gây ra nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian

s

t đồng nghĩa với việc gây ra nhiễu ISI

Khi ta chèn khoảng bảo vệ rỗng  G vào, khi đó, độ rộng của một symbol sẽ là:

t là độ rộng hiệu dụng của một symbol

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ Khi đó nếu ta chèn một khoảng bảo vệ rỗng  G đủ lớn so với trải trễ hiệu dụng của kênh truyền thì nhiễu ISI sẽ được loại bỏ Tuy nhiên lúc này phổ của tín hiệu ở đầu thu

sẽ thay đổi so với phổ ban đầu làm cho mất tính trực giao của chúng như hình 1.8 dưới đây:

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng

Để khắc phục được điều này ta chèn vào tín hiệu khoảng bảo vệ  G có tính chất cyclic prefix nhằm duy trì tính trực giao.Khi đó thì chiều dài q mẫu sẽ được chèn vào symbol là t s

q

N lớn hơn thì gian trễ lớn nhất của kênh truyền nên hiện tượng ISI sẽ

được loại bỏ hoàn toàn và thu được phổ tín hiệu giống phổ ban đầu

Như vậy thì sau khi đi qua bộ chèn GI thì tín hiệu sẽ không bị nhiễu Tín hiệu sau đó

sẽ được chuyển tới bộ chuyển đổi từ số sang tương tự D/A và được lọc qua một bộ lọc thông thấp LPF để loại bỏ các tín hiệu không mong muốn

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix

e)Bộ biến đổi D/A và A/D

Sơ đồ bộ chuyển đổi D/A và A/D được chỉ ra ở hình 1.10 Trong đó:

Chuỗi kí hiệu sau khi được chèn khoảng bảo vệ G sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp LPF để tạo ra tín hiệu liên lục s(t) để đưa vào kênh truyền

Ở phía thu là quá trình ngược lại, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được r(t) cho ra tín hiệu số rời rạcr n * Đối với kênh truyền vô tuyến, sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) được nâng lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter tạo thành tín hiệu s RF( )t thích hợp với một bộ điều chế Ở phía thu, tín hiệu r RF( )t thu được từ anten phát sẽ được chuyển đổi hạ tần lại thành tín hiệu tần số băng gốc r(t) nhờ bộ Down-Converter

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D

1.3.2 Khối chuyển RF sang quang

Sau khi thu được tín hiệu băng gốc thì phần thực và phần ảo của tín hiệu này được đưa vào hai bộ điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang Trong kỹ thuật OFDM quang có 2 giải pháp điều chế, đó là: điều chế quang trực tiếp và điều chế

quang gián tiếp

a) Điều chế quang trực tiếp

Dưới đây là sơ đồ mô tả cho điều chế quang trực tiếp

Hình 1.11 Sơ đồ điều chế quang trực tiếp

Ở phương pháp này điều chế được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu cần truyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi dòng điện kích thích chạy qua Lazer Tức là tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp để sử dụng với những hệ thống thông tin quang có tốc độ vừa phải (dưới 10Gb/s) Còn đối với những hệ thống ở tốc độ cao (trên 10Gb/s) thì dạng điều chế này gây nên hiện tượng dịch tần số

b) Điều chế gián tiếp ( điều chế ngoài)

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 Dưới đây là sơ đồ cho bộ điều chế gián tiếp

Hình 1.12 Sơ đồ điều chế gián tiếp Lúc này việc điều chế tín hiệu không được thực hiện bên trong lazer mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài Có hai loại điều chế ngoài được sử dụng hiện nay đó là: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA) Cụ thể hơn ta sẽ đi phân tích bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder Dưới đây là cấu trúc chung nhất của bộ MZM:

Hình 1.13 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như hình 1.13 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 (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:

V

Trong đó: V là điện thế phân cực cho MZM

V là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng bị dịch 180

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 1.14 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, ta có :

out- cường độ ánh sáng ngõ ra; V -

điện thế phân cực để pha nhánh đó dịch ; V

in - điện thế phân cực cho MZM

Hình 1.14 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn

Hình 1.16 mô tả bộ MZM phân cực đôi Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V t1( ) V t2( ))

Hình 1.15 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

1.3.3 Kênh truyền quang và bộ khuếch đại quang

a) Kênh truyền quang

Tín hiệu sau khi được chuyển thành tín hiệu quang thì sẽ được đưa lên kênh truyền quang Kênh truyền này có tác dụng truyền tín hiệu quang từ đầu phát tới đầu thu Hầu hết các hệ thống quang mặt đất thì đều sử dụng sợi cáp quang làm kênh truyền quang Dựa trên nguyên lý truyền dẫn của sợi quang Cấu trúc cơ bản của một sơi quang bao gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1

và một lớp bọc bao quanh lõi bằng thủy tinh, hình ống đồng tâm với lõi có chiết suất n2 với n1 > n2 Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc

Đặc điểm của các mode truyền trong sợi quang:

- Mỗi một mode truyền là một mẫu các đường trường điện và trường từ được lặp đi lặp lại dọc theo sợi ở các khoảng cách tương đương với bước sóng

- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau

- Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng và có bước sóng xác định

Phân loại sợi quang thì có nhiều tiêu chí để phân loại, có thể phân loại theo chỉ số chiết suất hoặc cũng có thể phân loại theo mode truyền dẫn

 Phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất:

Trên quan điểm phân loại sợi quang theo chỉ số chiết suất thì sợi quang được phân thành 2 loại:

+ Sợi quang có chiết suất phân bậc (Sợi SI: Step-Index):

Đây là loại có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi và khác nhau rõ rệt với chiết suất lớp

vỏ phản xạ Loại sợi này có độ tán sắc lớn nên không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao

và cự ly quá dài

Hình 1.16 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc có đường kính sợi lõi khoảng

50m (SI:Step Index)

+ Sợi quang có chiết suất giảm dần (Sợi GI: Gradien-Index):

Sợi GI có phân chiết suất hình Parabol, chỉ số chiết suất của lõi thay đổi một cách liên tục, giảm dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ, nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Độ tán sắc của GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 1.17 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index)

 Phân loại theo mode truyền dẫn:

Trên quan điểm phân loại sợi quang theo mode truyền dẫn thì sợi quang được phân thành 2 loại:

+ Sợi đa mode (MM: Multi Mode):

Sợi đa mode là sợi truyền dẫn đồng thời nhiều mode sóng khác nhau, có thể là đa mode có chiết suất phân bậc (SI) hoặc chiết suất giảm dần (GI) như chỉ ra trên hình 1.16 và 1.17

+ Sợi đơn mode (SM: Single Mode)

Sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất phân bậc (tuy nhiên, đường kính sợi lõi rất nhỏ, cỡ khoảng 8.10m) và chỉ truyền một mode sóng trong sợi (được mô tả trong hình 1.18)

Hình 1.18 Sợi quang đơn mode (SM:Single Mode)

b) Bộ khuếch đại quang

Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các bộ khuếch đại quang hay các trạm lặp Các trạm lặp thực hiện khuếch đại quang trên đường truyền thông qua quá trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ lặp thành tín hiệu điện , khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau biến đổi thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch đại lên nhiều lần, tại đầu ra và phát vào đường truyền

Tuy nhiên, gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang Để khuếch đại quang, người ta đã có nhiều loại

bộ khuếch đại quang khác nhau được chia thành 2 loại chính: Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconduction Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier)

Trong các loại OFA, có bộ khuếch đại quang EDFA và bộ khuếch đại quang Raman Hiện nay, bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng khá phổ biến Dưới đây

là hình vẽ minh họa cho một bộ khuếch đại EDFA:

Hình 1.19 Bộ khuếch đại EDFA

1.3.4 Khối chuyển quang sang RF

Ở phía thu, tín hiệu OFDM quang được chuyển đổi thành tín hiệu OFDM RF là quá trình ngược lại so với phía phát

1.3.5 Khối thu RF OFDM

Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệu này được đưa qua ba mức đồng bộ: đồng bộ của sổ DFT, đồng bộ tần số và khôi phục sóng mang con trước khi quyết định kí tự dữ liệu

Việc đảm bảo chất lượng hệ thống thông tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại được tín hiệu điện bên phía phát là cực kỳ quan trong Hiện nay việc tách sóng dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD – Direct Detector) và kỹ thuật tách sóng kết hợp (CO – Coherrent Detector)

a)Tách sóng trực tiếp

Đối với kỹ thuật tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ thì cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu Quá trình này bỏ qua pha và sự

phân cực của sóng mang được tạo ra từ linh kiện quang Các hệ thống như vậy có nhược điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì công suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn

Bộ lọc khuếch đại

Mạch quyết định bit

Coupler

22

Bộ tách sóng quang

Bộ lọc khuếch đại trung tần

Bộ giải điều chế

Bộ lọc khuếch đại dải nền

Mạch quyết định bit AFC

Bộ dao động nội

Tín hiệu

vào

Tín hiệu ra

(a) Bộ thu quang Heterodyne

(b) Bộ thu quang Homodyne

Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trước tiên bộ thu quang sẽ sử dụng phần tử dao động nội bởi một lazer diode ở phía thu để cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện Như vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng 1,3μm đến 1,6μm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER =

9

10 Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha

1.4 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

1.4.1 Ưu điểm của OFDM

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

1.4.2 Nhược điểm của OFDM

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 [13] 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 [13]

1.5 Kết luận chương 1:

Chương 1 đã trình bày nguyên lý chung của công nghệ OFDM - một kỹ thuật

điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó nguyên lý cơ bản của nó là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên các sóng mang con trực giao với nhau.Tính trực giao này sẽ 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 Trong công nghệ OFDM này đã

đi tìm hiểu các khối trong hệ thống và rút ra được ưu điểm cũng như nhược điểm của

hệ thống OFDM

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF

2.1 Tổng quan hệ thống truyền dẫn RoF

2.1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay xu hướng cho dự phòng tương lai của băng rộng, dịch vụ tương tác và

đa phương tiện qua phương tiện không dây trong cả di động và mạng tế bào cố định là:

Để giảm kích thước cell đáp ứng nhiều người sử dụng hơn và để hoạt động trong băng tần micro/millimeter để tránh sự xung đột phổ trong dải tần thấp hơn Việc triển khai

hiệu quả về chi phí BS là chìa khóa để thành công trong vấn đề thương mại Công nghệ RoF là một trong những giải pháp đầy triển vọng cho yêu cầu này Công nghệ này bao gồm điều chế sóng mang con RF lên trên sóng mang quang để phân phối lên mạng cáp Sợi quang là hấp dẫn cho hệ thống RoF vì độ rộng băng tần rất lớn, mất mát thấp, tránh được EMI, trọng lượng nhẹ, tiết diện ngang nhỏ, giá thành thấp, tính linh động cao

Trong những ngày đầu của viễn thông, sự ứng dụng GSM và GPRS có thể chấp nhận ở tốc độ dữ liệu thấp Tuy nhiên, ngày nay trên thế giới, người dùng yêu cầu dịch

vụ sẽ cung cấp tốc độ truyền cao hơn, giải pháp mềm dẻo và bất cứ khi nào - bất cứ nơi đâu Ví dụ như WiMax và WiMAN, sử dụng dải băng lên tới 1 Gbps với diện tích bao phủ lớn Tuy nhiên càng ngày càng tăng số người sử dụng sẽ tác động lớn đến giới hạn để truyền thông dữ liệu Một trong những giải pháp cho hậu quả này là làm giảm kích thước cell để đáp ứng được nhiều người dùng hơn Nó được gọi bởi khái niệm micro-cells hoặc pico-cells Giải pháp khác là sử dụng băng tần mới của dải hoạt động

từ các dải băng ISM không được cấp phép đã tắc nghẽn Ngày nay nhiều nhà phát triển

đã đưa ra sóng mm là dải băng mới của dải hoạt động Đó là miền tần số quang từ 40 đến 90 GHz mà sẽ yêu cầu băng thông cao hơn Tuy nhiên, bằng cách thực hiện các phương pháp, một vài vấn đề khác sẽ xuất hiện Bằng cách giảm kích thước cell, thì một số lượng lớn BS được yêu cầu để bao phủ vùng phục vụ Tăng tần số trên các mặt khác sẽ góp phần làm tăng thiết bị, tăng chi phí lắp đặt và bảo trì Sự phát triển của công nghệ RoF được dùng để loại bỏ các vấn đề đó RoF là một sự tích hợp của hệ

thống vô tuyến và quang sẽ cho dung lượng lớn, tốc độ dữ liệu cao và giải pháp di động

RoF đề cập đến một công nghệ mà trong đó ánh sáng được điều chế bởi một tín hiệu vô tuyến và truyền qua một liên kết quang học để đơn giản hóa truy cập không dây Trong quy ước mạng quang, tín hiệu truyền là định dạng số Truyền thông RoF về

cơ bản là một hệ thống truyền dẫn tương tự vì nó phân phối sóng vô tuyến, trực tiếp trên tấn số sóng mang vô tuyến, từ một CS (Control Station) tới một BS (Base Station)

Tuy nhiên, tín hiệu dữ liệu bản thân nó có thể là một trong định dạng số như QAM và OFDM Hệ thống RoF bao gồm một máy phát và một máy thu kết nối bởi một liên kết quang Ở phía phát tín hiệu điện (tín hiệu RF đã được điều chế) được sử dụng để điều chế nguồn quang (laser) Các tín hiệu quang này sau đó được mang trên các liên kết sợi quang tới máy thu Ở máy thu, dữ liệu được chuyển đổi trở lại thành dạng điện của bộ tách sóng quang

Trong hệ thống RoF, các chức năng như routing, xử lý và quản lý nguồn tài nguyên được thực hiện ở trung tâm CS (Control Station) thay vì ở BS Ở BS, chỉ có sự chuyển đổi đơn giản quang/ điện được thực hiện Điều này cho thấy một giải pháp hiệu quả chi phí được đưa ra bởi RoF vì CS được chia sẻ bởi nhiều BSS đơn giản

2.1.2 Kiến trúc hệ thống RoF

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 đầu cuối tập trung tới các khối anten đầu xa (RAUs) Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức năng xử lí tín hiệu RF cũng như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh, được thực hiện ở các trạm gốc BS hoặc ở RAP và ngay sau đó được đưa tới anten, Công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lí tín hiệu RF tại một vị trí chung (trạm đầu cuối), sau đó sử dụng sợi quang có suy hao thấp ( 0,3 dB/km cho bước sóng

1550 nm, 0,5 dB/km cho bước sóng 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới các RAU như minh họa trong hình 2.1.[2]

Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống RoF Nhờ công nghệ RoF các RAU được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn chức năng chuyển đổi quang- điện và khuếch đại Việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bổ động tài nguyên và đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống Những ưu điểm này làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ BS/RAPs cao

2.2 Các ưu, nhược điểm của công nghệ RoF

Công nghệ RoF mang lại rất nhiều ưu điểm so với việc truyền tải tín hiệu điện sẽ được đưa ra dưới đây

2.2.1 Các ưu điểm của công nghệ RoF

a)Suy hao thấp

Việc truyền tải bằng điện đối với các tín hiệu vô tuyến tần cao trong không gian

tự do hoặc thông qua các đường truyền dẫn gặp nhiều vấn đề khó giải quyết và đòi hỏi chi phí lớn Đối với không gian tự do là các suy hao do hấp thụ và phản xạ, còn đối với các đường truyền dẫn là trở kháng đều tăng theo tần số dẫn tới các suy hao lớn Vì thế, việc phân phối tín hiệu vô tuyến tần cao bằng điện qua các khoảng cách lớn đòi hỏi các thiết bị lặp khôi phục đắt tiền Do đó, việc sử dụng sóng mm trên các tuyến truyền dẫn là không khả thi, thậm chí ngay với cả với khoảng cách ngắn Giải pháp thay thế

cho vấn đề này là phân phối tín hiệu băng tần gốc hoặc các tín hiệu trung tần (IF) từ trung tâm chuyển mạch (trạm trung tâm) tới trạm gốc Các tín hiệu IF hoặc băng tần gốc sẽ được nâng tần tới tần số sóng mm hay sóng ngắn yêu cầu tại mỗi trạm gốc, khuếch đại và sau đó là bức xạ Do đòi hỏi phải sử dụng các bộ dao động nội LO hiệu suất cao để nâng tần tại mỗi trạm gốc nên điều này dẫn tới các trạm gốc phức tạp với các yêu cầu hoạt động chặt chẽ Tuy nhiên, bởi sợi quang có suy hao rất thấp, công nghệ RoF có thể được sử dụng để đạt được sự suy hao thấp đối với các sóng mm và đơn giản hóa các antenna đầu xa cùng một lúc

Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn thương mại được làm từ thủy tinh (silica) có suy hao dưới 0,3 dB/km và 0,5 dB/km tương ứng tại các vùng cửa sổ 1550 nm và 1300

nm Các sợi quang thông dụng hơn gần đây là các sợi quang polymer POF có suy hao cao hơn, từ 10 - 40 dB/km tại các vùng cửa sổ 500-1300 nm Các suy hao này thấp hơn rất nhiều so với cáp đồng trục – phương tiện truyền dẫn có tổn hao là hàm bậc 3 so với biên độ tại các tần số cao (ví dụ, suy hao của một cáp đồng trục ½ inch (RG-214) là trên 500 dB/km đối với các tần số lớn hơn 5 GHz) Vì thế, nhờ việc truyền dẫn các sóng siêu cao tần dưới dạng quang, khoảng cách truyền dẫn sẽ được tăng đáng kể và công suất phát yêu cầu cũng sẽ được giảm rõ rệt

b) Băng thông lớn

Các sợi quang có băng thông cực lớn Có 3 cửa sổ truyền dẫn chính với suy hao thấp tương ứng là 850 nm, 1310 nm và 1550 nm Đối với sợi quang đơn, băng thông tổng cộng của cả 3 cửa sổ là vào khoảng hơn 50 THz Tuy nhiên, các hệ thống thương mại ngày nay mới chỉ tận dụng được một phần nhỏ của dung lượng này (khoảng 1,6 THz) Nhiều nghiên cứu đang được tiến hành với mục đích sử dụng nhiều hơn dung lượng quang của mỗi sợi quang như sử dụng sợi quang tán sắc thấp (hoặc sợi dịch tán sắc), bộ khuếch đại EDFA đối với cửa sổ 1550 nm, và sử dụng các kĩ thuật ghép kênh tân tiến được biết đến như ghép kênh phân chia theo thời gian quang OTDM cùng với

sự kết hợp với kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM Băng thông khổng lồ mà các sợi quang đem lại còn có nhiều ưu điểm khác bên cạnh dung lượng lớn để truyền dẫn các tín hiệu siêu cao tần Băng thông quang lớn

cho phép xử lý tín hiệu tốc độ cao, điều đó là rất khó hoặc thậm chí không thể thực hiện trong các hệ thống điện tử Nói một cách khác, một số chức năng vi ba yêu cầu như lọc, trộn, chuyển đổi nâng-hạ tần, đều có thể được trang bị trong miền quang Ví

dụ, lọc sóng mm có thể được thực hiện trước hết bằng việc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, sau đó thực hiện việc lọc bằng việc sử dụng các thiết bị quang như giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) hoặc cách tử Bragg sợi quang (FBG), và sau đó chuyển đổi tín hiệu đã được lọc về lại dạng điện Hơn thế nữa, việc xử lý trong miền quang giúp cho việc có thể sử dụng các thiết bị quang băng thông thấp giá rẻ như các laser diode và các bộ điều chế mà vẫn có thể xử lý được các tín hiệu băng thông lớn Tuy nhiên, băng thông sợi quang bị cản trở bởi sự giới hạn băng thông của các hệ thống điện, đó là nguồn chính và các máy thu truyền tải dữ liệu Vấn đề này được đề cập như là “electronic bottleneck” Giải pháp xung quanh vấn đề này chủ yếu dựa trên việc ghép kênh hiệu quả Các kĩ thuật OTDM và DWDM được sử dụng trong các hệ thống quang số Trong các hệ thống quang tương tự sử dụng RoF, kĩ thuật ghép kênh sóng mang con SCM được sử dụng để tăng cường băng thông sợi quang Trong SCM, rất nhiều sóng mang vi ba, những thành phần đã được điều chế với dữ liệu tương tự hoặc số, sẽ được kết hợp và được sử dụng để điều chế tín hiệu quang Chính điều này tạo nên hiệu quả kinh tế của các hệ thống RoF

c) Miễn nhiễm đối với nhiễu tần số vô tuyến

Miễn nhiễm đối với nhiễu điện từ EMI là một đặc tính rất tốt của thông tin sợi quang, đặc biệt là truyền dẫn sóng ngắn Đó là bởi vì các tín hiệu được truyền dưới dạng ánh sáng xuyên suốt sợi Chính bởi sự miễn nhiễm này, các cáp quang thường được sử dụng hơn thậm chí đối với cả các kết nối ngắn tại sóng mm Hơn thế nữa, thông tin sợi quang có khả năng chống nghe trộm, đây là một đặc tính rất quan trọng trong thông tin sợi quang khi cung cấp tính an ninh và bảo mật

d) Lắp đặt và bảo trì đơn giản

Trong các hệ thống RoF, thiết bị đắt tiền và phức tạp được giữ tại trạm trung tâm, với mục đích để cho điểm truy nhập vô tuyến/trạm gốc đơn giản hơn Do đó, hầu hết các kĩ thuật RoF loại trừ sự cần thiết của một bộ dao động nội LO và thiết bị liên quan

tại đây Trong trường hợp này, một bộ tách sóng quang, một bộ khuếch đại antenna, một antenna là đủ tạo thành một trạm gốc/một điểm truy nhập vô tuyến Việc điều chế

và thiết bị chuyển mạch được giữ tại đầu cuối và được chia sẻ bởi rất nhiều các trạm gốc, giảm một cách hiệu quả chi phí cho việc cài đặt và bảo trì hệ thống Điều này là đòi hỏi rất quan trọng đối với các hệ thống sóng mm, bởi vì các hệ thống này cần một

số lượng lớn các điểm truy nhập vô tuyến Ngoài ra, các bộ RAUs nhỏ cũng dẫn tới việc khống chế ảnh hưởng tới môi trường

e) Giảm công suất tiêu thụ

Công suất tiêu thụ được giảm là kết quả của việc sử dụng các trạm gốc/điểm truy nhập vô tuyến đơn giản hơn với việc giảm đi các thiết bị Hầu hết các thiết bị phức tạp được giữ tại trung tâm tập trung Trong một vài ứng dụng, các RAUs vận hành ở chế

độ thụ động Ví dụ, một vài hệ thống Fibre-Radio 5 GHz sử dụng pico-cells có thể có các RAUs hoạt động ở chế độ thụ động Việc giảm công suất tiêu thụ tại RAUs rất quan trọng khi tính đến việc các RAUs đôi khi được đặt ở nơi xa, những nơi chưa có mạng lưới điện

f) Phân bổ tài nguyên linh hoạt

Bởi vì việc chuyển mạch, điều chế và các chức năng vô tuyến khác được thực hiện tại một trung tâm tập trung, nên có thể phân bổ dung lượng một cách linh hoạt Ví

dụ, trong hệ thống phân phối RoF đối với lưu lượng GSM, dung lượng có thể được phân bổ thêm tới một vùng (ví dụ như một khu phố mua sắm) trong suốt một vài giờ cao điểm và sau đó sẽ được phân bố lại tới các khu vực khác khi qua giờ cao điểm (ví

dụ như các khu vực tập trung đông vào các buổi tối) Điều này có thể đạt được bằng việc cấp phát thêm các bước sóng quang nhờ kĩ thuật WDM Phân bố dung lượng linh hoạt là cần thiết so với phân bổ tài nguyền cố định, giúp ta tránh được lãng phí các tài nguyên do lưu lượng trên mạng biến đổi thường xuyên, dao động lớn

2.2.2 Các hạn chế của công nghệ RoF

Bởi vì RoF bao gồm điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng, nên về cơ bản là

hệ thống truyền dẫn tương tự Vì thế, tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, và đây cũng là các ảnh hưởng rất quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn tương tự cũng như

hệ thống RoF Các ảnh hưởng này bao gồm hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của các tuyến RoF Dải động là một thông số rất quan trọng đối với các hệ thống thông tin di động như GSM bởi vì công suất thu được tại trạm gốc BS từ thiết bị di động MU biến đổi rất lớn (khoảng 80 dB) Vì thế, công suất RF nhận được từ một MU gần BS có thể cao hơn rất nhiều so với công suất RF nhận từ một MU cách xa đó hằng km, nhưng vẫn trong cùng một ô

Các nguồn nhiễu đối với các liên kết sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường

độ tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại và tán sắc của sợi Trong hệ thống RoF sử dụng sợi quang đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến quang và có thể gây nên mất tương quan pha, dẫn tới gia tăng nhiễu pha sóng mang RF Nếu sử dụng sợi quang đa mode, tán sắc mode sẽ hạn chế băng thông và khoảng cách Thực tế là mặc dù hệ thống truyền dẫn RoF bản thân là tương tự, hệ thống vô tuyến được phân bố cần không phải là tương tự, có thể là số (WLAN, UMTS), sử dụng các định dạng điều chế tín hiệu nhiều mức như là xQAM hoặc ghép kênh OFDM

2.3 Các kỹ thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang [2]

Có nhiều kĩ thuật xử lý tín hiệu quang được sử dụng để tạo và truyền tải tín hiệu cao tần qua sợi quang Nếu so sánh tần số của tín hiệu RF đi vào một tuyến RoF ở trạm đầu cuối với tần số tín hiệu RF được tạo ra ở RAU thì có thể chia các kĩ thuật RF làm 3 loại: truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RFoF); truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang (IFoF) và truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang (BBoF) Các kỹ thuật này đã được trình bày ở phần trên

Bên cạnh đó, kĩ thuật RoF cũng có thể được phân loại dựa vào các nguyên lý điều chế và tách sóng được sử dụng Khi đó RoF được chia làm 2 loại chính: Điều chế