Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu di động 3g trên sợi quang

Nhưng một vấn đề đặt ra là đây là các loại hình có tốc độ số liệu rất cao dẫn đến dung lượng truyền dẫn của hệ thống cũng phải rất lớn, sự gia tăng về dung lượng truyền dẫn dẫn tới phải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU DI ĐỘNG 3G

TRÊN SỢI QUANG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS.ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – 2010

LỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển mạnh mẽ nhất với con số thuê bao di động đã đạt đến 4,6 tỷ theo thống kê của liên minh viễn thông quốc tế (ITU), trong đó số lượng thuê bao băng rộng di động 3G đạt tới 600 triệu thuê bao Thông tin di động 3G cung cấp các loại hình dịch vụ băng rộng tích hợp đó là các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, video, và rất nhiều dịch vụ đa phương tiện khác Nhưng một vấn đề đặt ra là đây là các loại hình có tốc

độ số liệu rất cao dẫn đến dung lượng truyền dẫn của hệ thống cũng phải rất lớn, sự gia tăng về dung lượng truyền dẫn dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần số lượng rất lớn các trạm phát sóng vô tuyến (BTS) chính vì thế mà các trạm phát sóng phải đơn giản tối đa để giảm giá thành, thuận tiện cho việc lắp đặt bảo dưỡng

Bên cạnh đó, việc truyền dẫn tín hiệu qua đường truyền sợi quang là hết sức phổ biến và sợi quang có ưu điểm rất lớn là băng thông rộng và suy hao thấp Chính vì vậy có một giải pháp là hợp nhất các chức năng xử lý tín hiệu vào trạm xử lý trung tâm sau đó truyền các tín hiệu đã xử lý này qua sợi quang đến các trạm phát sóng vô tuyến các trạm phát chỉ cần bức xạ tín hiệu vô tuyến vào không gian mà không phải

xử lý tín hiệu, đây chính là công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang ( Radio over Fiber )

Mục đích của luận văn là nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật RoF và kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến theo tiêu chuẩn WCDMA trong hệ thống thông tin di động 3G Trên

cơ sở đó áp dụng kỹ thuật RoF để thực hiện một phương pháp truyền dẫn tín hiệu di động 3G qua sợi quang đơn mode, phương pháp này được tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab để đánh giá chi tiết hơn vấn đề truyền dẫn tín hiệu 3G trên sợi quang và những tác động mà hệ thống này gây ra trên tín hiệu

Tác giả xin chân thành cám ơn TS Đào Ngọc Chiến, Bộ môn Hệ thống Viễn thông, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình hướng dẫn, trao đổi những kinh nghiệm và những ý kiến quý báu Xin gửi lời cám ơn tới

các Thầy, Cô trong Khoa Điện tử viễn thông, tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thành luận văn và khóa học

Trong quá trình thực hiện, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của Thầy, Cô và đồng nghiệp

Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU I MỤC LỤC III BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ X DANH MỤC CÁC BẢNG XII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Cơ sở nghiên cứu 1

1.2 Mục đích luận văn 1

1.3 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 3

2.1 Radio over fiber 3

2.1.1 Định nghĩa 3

2.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF 3

2.1.3 Cấu hình tuyến RoF 4

2.2 Kỹ thuật RoF 6

2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF 6

2.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 7

2.2.3 Phương pháp điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp IM-DD 8

2.2.4 Phương pháp điều chế ngoài 10

2.2.5 Phương pháp quang kết hợp (Coherent) 14

2.3 Lợi ích của hệ thống RoF 19

2.3.1 Suy hao thấp 19

2.3.2 Băng thông rộng 20

2.3.3 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến 20

2.3.4 Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng 20

2.3.5 Giảm công suất tiêu thụ 21

2.3.6 Phân bổ tài nguyên động 21

2.4 Hạn chế của kỹ thuật RoF 21

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN TIÊU CHUẨN WCDMA

TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 22

3.1 Giới thiệu WCDMA 22

3.2 Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến của WCDMA 23

3.2.1 Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp 23

3.2.2 Khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ 24

3.2.3 Áp dụng DSSS cho CDMA 26

3.2.4 Các mã trải phổ sử dụng trong WCDMA 29

3.2.5 Trải phổ và điều chế đường lên 31

3.2.6 Trải phổ và điều chế đường xuống 34

3.3 Giao diện vô tuyến của WCDMA 37

3.3.1 Các giải pháp cho giao diện vô tuyến 37

3.3.2 Các thông số lớp vật lý 38

3.3.3 Sơ đồ tổng quát máy phát và máy thu WCDMA 39

3.3.4 Các thông số thu và phát trong phần vô tuyến của thiết bị di động 41

CHƯƠNG 4: KẾT HỢP TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G VÀ RoF 42

4.1 RoF và WCDMA 42

4.2 Thiết kế mô hình Laser diode trong Simulink/Matlab 43

4.2.1 Yêu cầu kỹ thuật của nguồn phát quang 43

4.2.2 Đặc tính kỹ thuật 44

4.2.3 Đặc tính điều chế của laser 45

4.2.4 Mô hình Laser diode trong Simulink/Matlab 46

4.3 Thiết kế mô hình sợi quang trong Simulink/Matlab 49

4.3.1 Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang 49

4.3.2 Mô hình sợi quang trong Simulink/Matlab 54

4.4 Thiết kế mô hình Photodiode trong Simulink/Malab 56

4.4.1 Yêu cầu kỹ thuật của bộ tách sóng quang 56

4.4.2 Đặc tính kỹ thuật 57

4.4.3 Mô hình Photodiode trong Simulink/Matlab 58

4.5 Kết quả mô phỏng và thảo luận 61

4.5.1 Mô hình mô phỏng tuyến truyền dẫn 3G RoF 61

4.5.2 Tín hiệu dữ liệu trước và sau khi trải phổ 61

4.5.3 Phổ tín hiệu phát và thu khi truyền qua RoF 62

4.5.4 Sự thay đổi giản đồ chòm sao của tín hiệu 64

KẾT LUẬN CHUNG 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT

3G Third Generation Thế hệ thứ ba

3GPP 3ird Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba 3GPP2 3ird Generation Patnership Project 2 Đề án đối tác thế hệ thứ ba 2 AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng

AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ di động tiên tiến

AP Access Point Điểm truy cập

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BB Base Band Băng tần cơ sở

BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải

BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit

BS Base Station Trạm gốc

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CS Central Station Trạm trung tâm

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh điều khiển

DFB Distributed Feed Back(laser) Laser hồi tiếp phân tán

DMOD DeMODdulator Bộ giải điều chế

DPCCH Dedicated Physycal Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

EA Electro Absorption Bộ hấp thụ electron

EAM Electro Absorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ electron

EAT Electro absorption Transceiver Bộ thu phát hấp thụ electron

EDFA Erbium Droped Fiber Amplifier Bộ khuyếch đại sợi quang

EOM External Optical Modulator Bộ điều chế nguồn quang ngoài FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gian GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

IEEE

(Institute of Electrical and Electronics

Engineers)

Viện kĩ sư điện và điện tử

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000

International Mobile

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

LO Laser Ocsillator Bộ dao động laser

MH Mobile Host Thiết bị di động

MOD MODulator Bộ điều chế

MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder

OSSBC Optical Single-Side-Band Modulation Điều chế quang đơn biên

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh vật lý gói chung

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý PICH Page Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi

PRACH Physical Random Access Channel Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên

PS Packet Switch Chuyển mạch gói

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công

cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RoF Radio over Fiber

Kĩ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang

SCH Synchronization channel Kênh đồng bộ

SF Spreading Factor Hệ số trải phổ

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gian TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA

Time Division Mulptiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Kiến trúc CS – BS trong RoF 3

Hình 2.2 Cấu hình tuyến trong RoF 5

Hình 2.3 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang 7

Hình 2.4 Mô hình điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp 8

Hình 2.5 Mô hình điều chế ngoài. 10

Hình 2.6 a Cấu hình bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế bức xạ electron trên nền bán dẫn. 11

Hình 2.7 a Không có điện áp; b Có điện áp điều khiển. 12

Hình 2.8 Mô hình hệ thống Coherent 14

Hình 3.1 Quá trình trải phổ 24

Hình 3.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp trong miền thời gian 24

Hình 3.3 Quá trình trải phổ trong miền tần số 25

Hình 3.4 Quá trình nén phổ loại bỏ ảnh hưởng nhiễu 26

Hình 3.5 Sơ đồ giải trải phổ DSSS 28

Hình 3.6 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ K tín hiệu. 29

Hình 3.7 Quá trình trải phổ và trộn 29

Hình 3.8 Cây mã định kênh 31

Hình 3.9 Trải phổ và điều chế DPDCH và DPCCH đường lên 33

Hình 3.10 Chùm tín hiệu đối với ghép mã I/Q sử dung ngẫu nhiên hóa phức 34

Hình 3.11 Sơ đồ trải phổ và điều chế kênh vật lý đường xuống 35

Hình 3.12 Các mã ngẫu nhiên hóa sơ cấp và thứ cấp 36

Hình 3.13 Truyền dẫn đa mã cho đường xuống 37

Hình 3.14 Sơ đồ khối máy phát tuyến (a) và máy thu vô tuyến (b) 40

Hình 4.1 Đặc tuyến P-I của nguồn quang Laser 44

Hình 4.2 Đặc tuyến P-I của Laser diode trong hệ thống RoF 47

Hình 4.3 Mô hình laser diode 48

Hình 4.4 Sơ đồ khối của mô hình quang tuyến tính 55

Hình 4.5 Mô hình sợi quang 56

Hình 4.6 Mô hình Photodiode 60

Hình 4.7 Mô hình mô phỏng tuyến truyền dẫn 3G RoF 61

Hình 4.8 Tín hiệu trước và sau trải phổ 62

Hình 4.9 Phổ tín hiệu trước khi trải phổ 63

Hình 4.10 Phổ tín hiệu sau khi trải phổ 63

Hình 4.11 Phổ tín hiệu phát 63

Hình 4.12 Phổ tín hiệu thu sau khi truyền qua RoF 64

Hình 4.13 Giản đồ chòm sao tín hiệu phát 64

Hình 4.14 Giản đồ chòm sao tín hiệu thu 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Bộ tám mã trực giao 27

Bảng 3.2 Nhân hai mã giống nhau 27

Bảng 3.3 Nhân hai mã khác nhau 27

Bảng 3.4 Các thông số lớp vật lý W-CDMA 38

Bảng 3.5 Các thông số thu và phát vô tuyến quan trọng cho phần vô tuyến của UE 41

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cơ sở nghiên cứu

Truyền dẫn tín hiệu vô tuyến trên sợi quang (RoF) là một công nghệ trong đó ánh sáng được điều chế bởi tín hiệu vô tuyến và được truyền trên sợi quang nhằm mục đích tạo nên sự tiện lợi trong truy nhập vô tuyến Trong các hệ thống RoF, các tín hiệu vô tuyến được truyền dẫn trong sợi quang kết nối giữa một trạm trung tâm và một số trạm gốc di động trước khi bức xạ ra không gian, nhờ đó các tín hiệu vô tuyến với tốc độ cao ít bị ảnh hưởng bởi môi trường

Kỹ thuật RoF thu hút rất nhiều sự quan tâm trong thời gian gần đây Mặc dù hiện nay kỹ thuật này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm và bước đầu ứng dụng nhưng những kết quả mà nó mang lại rất khả quan Có nhiều khả năng RoF sẽ là một kỹ thuật mang lại lợi ích rất lớn khi ứng dụng vào các mạng

di động băng rộng trong tương lai

1.2 Mục đích luận văn

Trong phạm vi đề tài này, đề tài thực hiện nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật RoF và

kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến theo tiêu chuẩn WCDMA trong hệ thống thông tin di động 3G Trên cơ sở đó áp dụng kỹ thuật RoF để thực hiện một phương pháp truyền dẫn tín hiệu di động 3G qua sợi quang đơn mode Phương pháp này sẽ được tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab để đánh giá chi tiết hơn vấn đề truyền dẫn tín hiệu 3G trên sợi quang và những tác động mà hệ thống này gây ra trên tín hiệu Mục đích đóng góp chính của luận văn là:

¾ Sự phân tích khoa học về các vấn đề liên quan đến công nghệ truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

¾ Sự phân tích chi tiết về kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến theo tiêu chuẩn WCDMA trong hệ thống thông tin di động 3G

¾ Một phương pháp cụ thể kết hợp giữa kỹ thuật RoF và 3G để truyền dẫn tín hiệu di động 3G qua sợi quang đó là phương pháp điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp Phương pháp này sẽ được thực hiện mô phỏng bằng phần

mềm Simulink/Matlab Để phục vụ cho mục đích mô phỏng các khối linh kiện phát, truyền và thu quang được xây dựng hết sức chi tiết

Các kỹ thuật được giới thiệu là cơ sở lý thuyết đầy đủ và chi tiết cho việc thực hiện truyền dẫn tín hiệu di động 3G trên sợi quang Các kết quả được trình bày trong luận văn này đạt được từ một phương pháp mô phỏng cụ thể được thiết kế trên phần mềm Matlab Tuy nhiên, chúng mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu và đánh giá bằng các công cụ mô phỏng trên máy tính PC

1.3 Bố cục luận văn

Bố cục của luận văn được chia thành 4 chương như sau:

¾ Chương 1: Tổng quan Tác giả trình bày tóm tắt cơ sở nghiên cứu và mục đích cũng như tổ chức của luận văn

¾ Chương 2: Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RoF) Trong chương này các kỹ thuật truyền dẫn sóng vô tuyến qua môi trường sợi quang

sẽ được giới thiệu và phân tích chi tiết, lợi ích và những hạn chế của kỹ thuật RoF cũng sẽ được thảo luận

¾ Chương 3: Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến tiêu chuẩn WCDMA trong thông tin

di động 3G Trong chương này, tác giả phân tích chi tiết về WCDMA một tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 3G của IMT-2000 Cụ thể là các công nghệ truyền dẫn trong WCDMA, các đặc tính kỹ thuật truy nhập vô tuyến của WCDMA sẽ được thực hiện

¾ Chương 4: Kết hợp truyền dẫn tín hiệu thông tin di động 3G và RoF Chương này kết hợp kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến 3G đã được mô tả tại chương 3 và kỹ thuật RoF trong chương 2 để đưa ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu di động 3G trên sợi quang Đó là phương pháp truyền dẫn tín hiệu 3G qua hệ thống quang điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp IM-DD Phương pháp này được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab với việc xây dựng hết sức chi tiết các khối phát, truyền và thu quang Trong phần cuối chương các kết quả mô phỏng và thảo luận cũng được đưa ra để chứng minh cho việc truyền dẫn chính xác của phương pháp

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER

2.1 Radio over fiber

2.1.1 Định nghĩa

Truyền dẫn tín hiệu vô tuyến trên sợi quang (RoF) là một công nghệ trong đó ánh sáng được điều chế bởi tín hiệu vô tuyến và được truyền trên sợi quang nhằm mục đích tạo nên sự tiện lợi trong truy nhập vô tuyến

Trong các hệ thống RoF, các tín hiệu vô tuyến được truyền dẫn trong sợi quang kết nối giữa một trạm trung tâm và một số trạm gốc di động trước khi bức xạ ra không gian, nhờ đó các tín hiệu vô tuyến với tốc độ cao ít bị ảnh hưởng bởi môi trường

2.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF

Một tuyến RoF có kiến trúc như trên hình 2.1 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 Các thành phần thuộc kiến trúc RoF không có chức năng quang như ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến, chức năng xử lý giao tiếp của CS thuộc phần mạng ta không xét ở đây

Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1 Kiến trúc CS – BS trong RoF

Trạm cơ sở (BS): Có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các thiết bị

di động, thu sóng vô tuyến nhận được từ các thiết bị di động 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 tín hiệu từ điện sang quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS BS gồm hai thành 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 thiết

bị di động Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do không có thành phần xử lý tín hiệu)

Trạm trung tâm (CS): 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 Như vậy kỹ thuật RoF được khảo sát ở đây bao gồm tất cả các kỹ thuật phát và truyền dẫn sóng vô tuyến từ CS tới BS trên sợi quang và ngược lại

2.1.3 Cấu hình tuyến RoF

Như ta đã biết, mục tiêu của mạng RoF là làm sao để cấu trúc của các BS càng đơn giản càng tốt Các thành phần của mạng có thể chia sẻ được tập trung ở CS Vì vậy

mà cấu hình của một tuyến RoF quyết định sự thành công của mạng RoF Ở đây, có

4 cấu hình tuyến thường được sử dụng như hình 2.2 Trên thực tế có rất nhiều cải tiến để hoàn thiện mỗi cấu hình và phù hợp với yêu cầu thực tế Điểm chung nhất của 4 cấu hình này là trong cấu trúc BS không tồn tại bất kỳ một bộ điều chế hay giải điều chế nào Các bộ phận này được tập trung ở Radio modem trong trạm CS

BS chỉ có những chức năng đơn giản để có cấu trúc đơn giản nhất

Hình 2.2 Cấu hình tuyến trong RoF

Ở tuyến downlink từ CS tới BS, thông tin được điều chế bởi thiết bị “Radio modem” lên tần số RF, IF hay giữ nguyên ở BB (base band) Sau đó chúng mới được điều chế lên miền quang bởi Laser diode (LD) và truyền đi Nếu sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp thì ta chỉ truyền được tín hiệu ở tần số IF hay BB Còn nếu truyền ở tần số RF ở băng tần mm thì một bộ điều chế ngoài được sử dụng Tín hiệu quang được điều chế truyền qua sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp tới BS Ở BS, tín hiệu ở băng tần RF, IF hay BB sẽ được khôi phục lại bằng Photodiode (tách sóng trực tiếp) Tín hiệu được khôi phục sẽ được đẩy lên miền tần

số RF và bức xạ ra không gian bởi anten tại BS tới các thiết bị di động Chức năng giải điều chế và khôi phục thông tin tại các thiết bị di động vẫn được thực hiện bình thường như trong các hệ thống di động hiên tại

Ở cấu hình a, các bộ chuyển đổi tần số nằm ở CS nên cấu trúc của BS rất đơn giản, chỉ bao gồm bộ chuyển đổi điện/quang, quang/điện Tuy nhiên sóng quang truyền từ

CS đến BS có tần số cao (tần số RF) nên chịu ảnh hưởng của tán sắc lớn vì thế khoảng cách từ CS đến BS bị giới hạn trong khoảng vài km Tương tự cho cấu hình b,c thì cấu trúc BS tuy phức tạp hơn vì có thêm bộ chuyển đổi tần số BB/IF/RF nhưng bù lại khoảng cách từ CS đến BS có thể đạt được xa hơn nhiều so với cấu hình a

Cấu hình d chỉ sử dụng cho các trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) Trong cấu hình IF không cần sử dụng đến bộ điều chế ngoài nên giúp giảm đáng kể giá thành của CS.Tuy nhiên, BS vẫn có cấu trúc tương đối phức tạp Cấu hình này chỉ sử dụng truyền sóng IF với phương pháp điều chế trực tiếp

2.2 Kỹ thuật RoF

2.2.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF

Không giống với mạng truyền dẫn quang thông thường, các tín hiệu được truyền đi thường ở dạng số, RoF là một hệ thống truyền tín hiệu tương tự bởi vì nó chuyển tải các tín hiệu dạng vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại Trên thực tế các tín hiệu truyền dẫn có thể ở dạng vô tuyến RF hay tần số trung tần IF hay băng tần gốc BB Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB thì có thêm các thành phần mới để đưa từ tần

số BB hay IF lên dạng RF ở BS Trong trường hợp lý tưởng thì ngõ ra của tuyến

RoF sẽ cho ta tín hiệu giống như ban đầu Nhưng dưới sự tác động của các hiện

tượng phi tuyến, cộng với đáp ứng tần số có hạn của laser và hiện tượng tán sắc

trong sợi quang mà tín hiệu ngõ ra bị sai khác so với ngõ vào gây ra một số giới hạn

trong truyền dẫn như tốc độ, cự ly tuyến Hiện tượng này càng nghiêm trọng hơn

trong tuyến RoF vì tín hiệu truyền đi có dạng analog, do đó các yêu cầu về độ chính

xác là cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số Đây là những khó khăn trong triển

khai kỹ thuật RoF mà chúng ta phải xem xét đến

2.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF

RF

RF

f

Hình 2.3 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang

Hình vẽ 2.3 giới thiệu một trong những cách truyền sóng vô tuyến trên sợi quang

đơn giản nhất Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF Tín

hiệu ở tần số RF này được đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền

đi Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản nhất là điều chế trực

tiếp Như vậy, sóng vô tuyến được điều chế lên tần số quang, sử dụng tần số quang

để truyền đi trong sợi quang Tại phía thu, ta sử dụng phương pháp tách sóng trực

tiếp, tách thành phần sóng mang quang, đưa tín hiệu quang trở lại dạng điện dưới

tần số RF Một bộ lọc thông thấp ở phía cuối đầu thu nhằm lọc những nhiễu gây ra

trên đường truyền

Cường độ trường điện từ E(t) trên sợi quang được biểu diễn bởi công thức sau đây:

Trong đó SRF(t ) là tín hiệu cần truyền ở tần số vô tuyến chưa điều chế, ωopt là tần

số quang và φ là góc pha của tín hiệu quang

Để truyền tín hiều RF trên sợi quang người ta sử dụng phương pháp điều chế cường

độ Tức là sóng quang có cường độ thay đổi theo cường độ của tín hiệu RF

Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang là: (1) điều chế biên độ

và tách sóng trực tiếp (IM-DD), (2) điều chế ngoài, (3) phương pháp quang kết hợp coherent Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tín hiệu RF Ưu điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộng rãi trong các mạch phát laser hiện nay Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số RF điều chế bị hạn chế ở tầm 10GHz Có một số laser có thể hoạt động ở tầm cao hơn 40Ghz nhưng nó có giá thành khá đắt và không phổ biến trên thị trường Phương pháp điều chế ngoài là phương pháp sử dụng một nguồn sáng chưa điều chế kết hợp với một bộ điều chế cường độ nguồn quang ngoài Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chế ở tần số cao hơn

so với phương pháp điều chế trực tiếp Tuy nhiên do suy hao chèn của phương pháp này lớn nên hiệu suất của nó không cao Phương pháp cuối cùng, truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với một sóng ánh sáng khác tại phía thu quang sự kết hợp về pha của sóng mang quang là đóng vai trò rất quan trọng trong việc thực hiện

hệ thống này

2.2.3 Phương pháp điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp IM-DD

Đây là phương pháp đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF, phương pháp này điều chế cường độ nguồn sáng với chính tín hiệu RF và sau đó sử dụng tách sóng trực tiếp ở bộ tách sóng quang để khôi phục lại tín hiệu RF

Hình 2.4 Mô hình điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp

Trong trường hợp này tín hiệu điều chế là tín hiệu RF thực sự Tín hiệu RF đã điều chế với số liệu cần phát đi

Công suất nguồn quang phát được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tín hiệu RF Vì vậy thông tin về pha của tín hiệu RF không có vai trò quan trọng sau khi truyền qua sợi quang và tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang, dòng quang điện phải qua bộ khuyếch đại phối hợp trở kháng để làm tăng biên độ điện áp trước khi kích thích ăng ten

Điều chế trực tiếp Điốt laser sinh ra một trường điện

e t i m E

t t i F

c c

th LD Iav f

e e

t i m E

t

−+

để mô tả sự truyền sóng trong sợi quang SMF ta sử dụng mô hình đơn giản với độ tán sắc màu bậc hai thu được hàm truyền như sau:

0 0 0

0

2 2

2

)

,

λ π

τ β α

(2.5) Cuối cùng sự tách sóng công suất quang thu được thực hiện thông qua tách sóng trực tiếp sử dụng Photodiode

)

(t

e R

độ bit càng cao thì độ nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IM-DD không thể vừa tăng cự ly vừa tăng tốc độ được

2.2.4 Phương pháp điều chế ngoài

Điều chế ngoài là phương pháp điều khiển laser ở chế độ sóng liên tục và sau đó sử

dụng một bộ điều chế ngoài như là bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM) để điều chế cường độ ánh sáng

Sơ đồ tổng quát điều chế ngoài được cho như hình vẽ :

Hình 2.5 Mô hình điều chế ngoài

Ngày nay, có 2 loại điều chế ngoài được sử dụng một cách rộng rãi đó là bộ điều chế ngoài Match Zender và bộ điều chế ngoài bức xạ electron Hình 2.6 mô tả cấu tạo của 2 bộ điều chế trên

Hình 2.6 a Cấu hình bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế bức xạ electron trên

nền bán dẫn

• Bộ điều chế Mach-Zehnder

Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder như sau: Chiết suất của lớp lithium niobate thay đổi khi ta đặt vào một nhánh của nó một hiệu điện thế Nguồn sáng từ bộ điều chế được chia làm 2 nhánh khi nó đi qua ống dẫn sóng Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả 2 nửa của tia tới sẽ không bị dịch pha, tại ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau vào tái tạo lại dạng sóng tới ban đầu Hình 2.7a Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì một tia tới sẽ bị dịch pha 900 bởi vì chiết suất của ống dẫn sóng đó đã bị thay đổi, trong khi đó nhánh kia lại bị dịch pha -900 Kết quả là tổng hợp ở ngõ ra ống dẫn sóng cả 2 đều bị triệt tiêu như hình 2.7b Do đó, ngõ ra của bộ điều chế ngoài được điều khiển bởi điện áp đặt vào vì vậy nó có thể đạt được tốc độ điều chế ở mức Gbps

Hình 2.7 a Không có điện áp; b Có điện áp điều khiển

Như vậy ngõ ra của bộ điều chế Mach-Zehnder phụ thuộc vào điện áp điều khiển

đặt vào bộ điều chế Trong trường hợp tổng quát, ngõ ra của bộ điều chế theo điện

áp đặt vào V được cho bởi:

λ π

λ

φ

V

Vb nL

b = 2 ∆ + được gọi là phân cực pha của bộ điều chế (modulator

d V

λ λ λ

λ λ

π = 2Γ 3 (switching voltage of MZ modulator)

d độ phân ly điện cực (electrode separation)

L m chiều dài điện cực (electrode length)

Γ(λ) hệ số giảm của vật liệu

n(λ) chỉ số chiết suất

r(λ) hệ số điện quang (electro optic coeffcient)

hay cường độ điện trường tổng hợp tại ngõ ra được cho bởi:

V t

)

Với A là biên độ nguồn quang ngõ vào, I M là tổn hao chèn và ω opt là tần số quang

phát ra bởi nguồn laser

Thông thường đối với một bộ điều chế Mach-Zehnder thì người ta thường quan tâm

thông số Vπ Bộ điều chế MZM chế tạo bởi LiNbO3 có Vπ=6.6V

Tín hiệu điện áp V đặt vào bộ điều chế được chia làm 2 loại, loại tín hiệu nhỏ (small

signal) và loại tín hiệu lớn (large signal) Mỗi bộ điều chế có tính chất riêng của nó,

tuy nhiên loại tín hiệu nhỏ được sử dụng nhiều hơn

• Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron

Nhược điểm lớn của các bộ điều chế ngoài đó là tổn hao chèn, thông thường tổn hao

chèn của một bộ điều chế có thể lên đến 5dB, và điện áp điều chế cao (10V) Ngoài

ra một nhược điểm nữa thách thức các nhà thiết kế và quản trị mạng quang chính là

tính cứng nhắc của nó Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để xây dựng một bộ phát

tích hợp chức năng điều chế bên trong laser diode giúp phát ra ở nhiều tần số mà

không bị ảnh hưởng của hiện tượng chirp

Để khắc phục hiện tượng trên, người ta sử dụng bộ điều chế ngoài bức xạ electron

Nguyên tắc hoạt động của nó như sau: Một laser DFB phát ra một nguồn sáng liên

tục, tia sáng này chạy qua ống dẫn sóng được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn Khi

không có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn

sáng được phát ra từ laser DFB bởi vì tần số cắt của nó, λC, ngắn hơn bước sóng tia

tới Khi một hiệu điện thế điều khiển đặt vào, một khoảng trống (band gap), Eg, của

vật liệu ống dẫn sóng tăng lên Đó được gọi là hiệu ứng Franz-Keldsysh Khi

khoảng năng lượng này tăng lên, tần số cắt giảm xuống (λC = 1024/Eg) và vật liệu

của ống dẫn sóng bắt đầu bức xạ tia tới Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn

sóng bán dẫn, đặc tính bức xạ của ống dẫn sóng cũng thay đổi Điều thú vị là loại bộ

điều chế này là vật liệu bán dẫn làm ống dẫn sóng có thể được sản xuất trên nền của DFB laser

Trong bộ điều chế ngoài hấp thụ electron, công suất quang ngõ ra bộ điều chế EA

có thể đạt được 0dBm Thông thường, ngõ ra của các bộ phát có công suất nhỏ hơn

so với trường hợp điều chế trực tiếp Tuy nhiên, công suất ngõ ra của bộ điều chế

EA không những không nhỏ hơn mà đôi khi còn lớn hơn trong một số trường hợp Ngoài đặc điểm trên, bộ điều chế ngoài hấp thụ electron còn có điện áp điều khiển

bộ điều chế nhỏ chỉ khoảng 2V Tỉ số chênh lệch động, Pmax/Pmin, lớn

2.2.5 Phương pháp quang kết hợp (Coherent)

Trong kỹ thuật quang kết hợp, dựa theo nguyên lý truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với một sóng ánh sáng khác tại phía thu quang

Tín hiệu đầu vào sẽ điều tần hoặc pha của sóng mang quang và tách tín hiệu nhận được bằng các kỹ thuật tách sóng homodyne hoặc heterodyne

Sự kết hợp về pha của sóng mang quang đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra

được chính xác tín hiệu vô tuyến ban đầu

Phần thu của hệ thống coherent là phần phức tạp nhất của hệ thống và cũng đặc

trưng nhất của hệ thống coherent Phần quan trọng nhất là Bộ trộn quang, Laser dao

động nội, Photodiode

Bộ trộn quang là một mạng 4 cửa, tương tự như bộ ghép định hướng siêu cao tần

Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động nội) được trộn

với nhau và cộng tuyến tính tại cửa ra Yêu cầu cả hai trường quang cần phải đồng

hướng trên mặt của photodiode Do trạng thái phân cực của tín hiệu dọc theo sợi bị

thăng giáng nên cần phải sử dụng bộ điều khiển phân cực tín hiệu và dao động nội ở

đầu cuối của tuyến sợi quang Độ lệch giữa các trạng thái phân cực của tín hiệu và

dao động nội có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

Nếu tần số của sóng dao động nội và tín hiệu giống nhau thì máy thu gọi là

Homodyne, còn nếu tần số của sóng dao động nội và tín hiệu khác nhau thì máy thu

gọi là Heterodyne Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phía phát về cơ bản là

giống nhau, tuy nhiên có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng

điều chỉnh từng tần số phát trong một dải rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau khi

trộn luôn ổn định Bộ trộn + photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp

(heterodyne) hoặc tách pha (homodyne)

Dòng tín hiệu từ đầu ra của bộ tách sóng được đưa tới tiền khuếch đại, được lọc

thông dải để lọc thành phần tín hiệu cần truyền là tín hiệu RF Vấn đề nhiễu pha

trong laser rất quan trọng trong hệ thống coherent vì nó xác định độ rộng băng tần

của bộ lọc trung tần hay độ rộng băng tần tín hiệu Một phần dòng sau biến đổi O/E

được sử dụng để chốt trung tần tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều

Trong đó ω s là tần số sóng mang, A s là biên độ và φ s là pha của tín hiệu

Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng

với A ref , ω ref , φ ref lần lượt là biên độ, tần số và pha của tín hiệu tham chiếu Trong

trường hợp này ta giả sử rằng cả tín hiệu gốc và tín hiệu tham chiếu phân cực giống

nhau để chúng có thể kết hợp tại PD ở đầu thu Như ta biết rằng, công suất thu được

ở PD có dạng P=K E s +E ref 2 trong đó K được gọi là hằng số tỷ lệ của PD

Như vậy ta có:

2

sincos

sincos

ref ref ref

rêf ref s

s s s s s s

t iA

t A

t iA

t A

K

t

P

ϕωϕ

ω

ϕωϕ

ω

++

++

++

coscos

ref ref

ref s

s s

rêf ref ref

s s s

t A

t A

i

t A

t A

K

ϕωϕ

ω

ϕωϕ

ω

++

++

++

+

=

=K(A s2+A ref2 +2A s A ref cos( (ωs −ωref)t+ϕs −ϕref) )

=P s +P ref +2 P s P ref cos(ω0t+ϕs −ϕref) (2.11)

Trong đó: P s =KA s 2 , Pref=KA ref 2 , ω 0 =ω s -ω ref. ta cũng có thể ký hiệu ω 0 là ω IF được

gọi là tần số (góc) trung tần, đây là tần số trung tần bởi vì ω 0 và ω ref rất gần nhau

nên hiệu của chúng là ω IF thường nhỏ hơn khá nhiều so với ω 0 và ω ref

Nếu ω0 =0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne

Do I ref thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín hiệu

homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng:

( )t R P s P ref

Từ công thức trên ta thấy ưu điểm của phương pháp tách sóng homodyne đó là: thứ

nhất dòng điện ngõ ra lớn nhất nếu ta triệt bỏ pha của sóng tới và sóng tham chiếu,

nên cho tỉ số SNR cao Thứ hai là thành phần thu được không mang thông tin tần số

và pha, chỉ phụ thuộc vào biên độ, nên nó rất phù hợp với phương pháp tách sóng trực tiếp thường không mang thông tin về tần số và pha

Tuy nhiên nhược điểm của nó là phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóng tín hiệu lẫn sóng tham chiếu Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa pha quang

Nếu ω 0 ≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne:

Kỹ thuật heterodyne có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điều chế ASK, PSK, FSK ở phía phát và sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay tách

sóng đường bao ở phía thu bởi vì thành phần tín hiệu I het sau khi tách sóng mang đầy đủ thông tin về cường độ, tần số và pha

Ở trên ta đã phân tích trong điều kiện lý tưởng Trên thực tế có rất nhiều hiện tượng, nguyên nhân trên tuyến truyền dẫn cũng như các linh kiện khiến cho chất lượng tín hiệu thu được không như mong muốn

Nhiễu pha: Một trong những nguồn nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang

cohenrent đó là nhiễu pha được gây ra bởi laser phát hay nguồn dao động nội Nhiễu pha hình thành do nhiều nguyên nhân như sự không ổn định tần số phát của laser, hiện tượng chirp, pha không ổn định của thiết bị phát,… Dựa vào công thức: (2.15)→I( )t =I ref +2R P s P ref cos(ϕs −ϕref) cho homorodyne

(2.16)→I( )t =RP( )t =I ref +2R P s P ref cos(ω0t+ϕs −ϕref ) cho heterodyne

Ta thấy rằng sự thay đổi về pha của nguồn phát φ s hay bộ giao động nội φ ref đều dẫn tới sự không ổn định về dòng điện thu được ở ngõ ra bộ tách sóng dẫn tới suy giảm

SNR Để hạn chế hiện tượng nhiễu pha, người ta cần dùng các kỹ thuật để giữ ổn

định pha φ s của nguồn laser và pha φ ref của nguồn dao động nội

Nhiễu pha còn gây ra bởi bề rộng phổ của laser Bề rộng phổ ∆v càng nhỏ thì nhiễu

pha càng được hạn chế Vì vậy người ta thường sử dụng laser DFB để làm nguồn phát Hiện nay, bề rộng phổ của laser DFB có thể nằm ở mức 1MHz

Mất phối hợp phân cực (polarization mismatch): Trong các bộ tách sóng quang trực

tiếp (như bằng photodiode) đã biết thì sự phân cực của tín hiệu quang không đóng vai trò gì bởi vì dòng điện thu được phụ thuộc vào số photon của tia tới Tuy nhiên trong các bộ thu cohenrent, sự hoạt động của chúng còn phụ thuộc vào sự phối hợp phân cực của bộ dao động và tín hiệu thu được Xem lại công thức 2.9 và 2.10 ta

thấy rằng, trong các công thức này các trường E s và E LO đã được ta giả sử như là

phối hợp phân cực nên ta được các công thức như đã nêu Gọi ê s và ê LO là 2 véctơ

đơn vị chỉ hướng phân cực của 2 tín hiệu E s và E LO thì rõ ràng các công thức trên

còn phải nhân thêm một thành phần là cosθ, ở đây θ là thành phần góc pha giữa ê s

và ê LO Trong trường hợp lý tưởng ta phân tích thì thành phần θ được cho là 0 0,

nhưng một sự thay đổi của góc pha θ này đều tác động đến bộ thu Trong trường hợp đặc biệt là góc θ = 90 0 thì tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn vì cosθ = 0, fading hoàn toàn (complete fading) Như vậy bất cứ sự thay đổi nào của θ đều dẫn đến sự

suy giảm SNR và gây ra sự thay đổi BER trong tín hiệu thu được

Trạng thái phân cực vectơ ê LO của tín hiệu phát ra từ bộ dao động nội là phụ thuộc vào laser phát của bộ dao động nội và thường là cố định Tuy nhiên trạng trái phân

cực vectơ ê s của tín hiệu thu được thì không như vậy, vì trước đó nó đã bị tác động bởi các hiệu ứng trên sợi quang ví dụ như hiện tượng tán sắc phân cực mode (PMD), hiện tượng birefringence fluctuations gây nên do sự thay đổi của môi trường (nhiệt độ, sự không đồng đều vật lý của sợi, …)

Tán sắc (fiber dispersion): Ta đã biết tán sắc ảnh hưởng rất lớn đối với hệ thống thông tin quang và được khắc phục bằng nhiều phương pháp Đặc biệt, trong hệ thống thông tin quang cohenrent thì hiện tượng tán sắc ảnh hưởng còn nghiêm trọng hơn Nó làm giảm cấp tín hiệu một cách nhanh chóng trên đường truyền Trong

thông tin quang cohenrent thì người ta hạn chế hiện tượng này bằng cách sử dụng các laser có bề rộng phổ rất nhỏ Hạn chế tối đa hiện tượng chirp Đặc biệt là kỹ thuật bù tán sắc bằng một bộ cân bằng điện tử trên ở tần số IF được sử dụng rất hiện quả để giải quyết hiện tượng này

Mặc dù kỹ thuật optical homorodyne có rất nhiều ưu điểm nhưng do phải duy trì sự đồng bộ về pha và tần số Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa pha, tuy nhiên như thế sẽ làm tăng giá thành của các BS vì chúng phải được trang bị các laser rất ổn định và phải có vòng khóa pha Điều này không có lợi trong mạng RoF nên người ta không sử dụng kỹ thuật này để truyền dẫn sóng mm

So với homorodyne thì kỹ thuật heterodyne có tỉ số SNR nhỏ hơn 3dB so với cùng

1 công suất tới (do chứa thành phần cos) Bù lại, kỹ thuật này yêu cầu đơn giản hơn

vì bộ dao động laser không nhất thiết phải cùng tần số với sóng tới và pha chỉ cần lệch nhau một lượng không đổi Nhờ vậy mà các BS được cấu trúc đơn giản hơn và không cần sử dụng vòng khóa pha quang Tuy nhiên, kỹ thuật hetorodyne khônghẳn đơn giản và dễ thực hiện Yếu quan trọng nhất tác động tới hệ thống sử dụng kỹ thuật heterodyne là lệch phân cực Thông thường, 2 nguồn laser khác nhau thì thường gây ra hiện tượng không ổn định về pha Do đó người ta sử dụng chung một nguồn phát hay cả hai nguồn phát này được khóa pha với nhau Nhờ vậy đã làm giảm bộ giao động nội ở đầu thu, tín hiệu tham chiếu được tạo ra ở đầu phát và truyền đi song song với tín hiệu trong sợi quang tới đầu thu Điều này giúp cho cấu trúc BS càng đơn giản hơn vì không cần phải có bộ dao động

2.3 Lợi ích của hệ thống RoF

Mạng vô tuyến là một hệ thống phân bố các antenna, để phát triển một mạng vô tuyến lớn thì vùng giao diện vô tuyến phủ sóng phải lớn Trong trường hợp này áp dụng kỹ thuật RoF sẽ mang lại các lợi ích chính sau đây

2.3.1 Suy hao thấp

Sự phân phối những tín hiệu điện sóng ngắn tần số cao trong không gian tự do hoặc qua đường truyền dẫn kim loại là vấn đề khó giải quyết và đòi hỏi chi phí lớn Trong khi đó với sợi quang có suy hao rất thấp, công nghệ RoF cùng lúc có thể có

được cả sự phân phối sóng mm suy hao thấp và đơn giản hóa các trạm phát sóng đầu xa Các sợi đơn mode (SMF) làm từ thủy tinh có suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ 1550 nm và 1300 nm Sợi quang chất dẻo (POF) công bố gần đây có suy hao từ 10-40 dB/km trong vùng 500-1300 nm Những suy hao này thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục Vì vậy nhờ truyền sóng siêu cao tần trên sợi quang, khoảng cách truyền dẫn tăng nhiều lần và yêu cầu về công suất giảm đi đáng kể

2.3.2 Băng thông rộng

Sợi quang có băng thông khổng lồ Có ba cửa sổ truyền dẫn chính, suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850nm, 1310 nm, 1500 nm Với một sợi quang đơn mode, băng thông tổng của 3 cửa sổ này vượt quá 50 THz Tuy nhiên các hệ thống thông tin hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần nhỏ dung lượng này (1,6 THz) Băng thông khổng lồ của sợi quang còn có nhiều ưu điểm khác ngoài dung lượng cao để truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần Băng tần quang lớn cho phép xử lí tín hiệu tốc độ cao, công việc rất khó hoặc không thể thực hiện trong các hệ thống điện tử Nói cách khác một số chức năng như lọc, trộn, nâng, hạ tần có thể được thực hiện trong miền quang

2.3.3 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến

Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ là một đặc tính hấp dẫn của thông tin sợi quang, đặc biệt trong truyền dẫn sóng vô tuyến tần số cao Đó là bởi vì các tín hiệu được truyền dưới dạng ánh sáng qua sợi quang Cũng chính vì không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ nên thông tin sợi quang có khả năng chống nghe trộm, đây là một đặc tính quan trọng của thông tin sợi quang khi cung cấp an ninh và bảo mật

2.3.4 Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng

Trong hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt tiền được đặt tại các trạm trung tâm, khiến cho các trạm phát sóng đơn giản hơn Sự sắp xếp này làm cho các trạm phát sóng nhỏ hơn và nhẹ hơn, làm giảm giá thành lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống Việc lắp đặt dễ dàng và giá thành bảo dưỡng thấp của các trạm phát sóng là rất quan trọng đối với các hệ thống sóng mm, bởi vì các hệ thống này cần một số lượng lớn

các trạm phát sóng Các trạm phát sóng nhỏ hơn không chỉ giảm giá thành mà còn giảm các tác động đến môi trường

2.3.5 Giảm công suất tiêu thụ

Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng các trạm phát sóng đơn giản và thiết bị rút gọn Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tại các trạm xử lý tập trung Trong một số ứng dụng các trạm phát sóng hoạt động ở chế độ thụ động Việc giảm tiêu thụ năng lượng tại trạm phát sóng rất quan trọng khi tính đến việc các trạm phát được đặt ở nơi xa, những nơi chưa có mạng lưới điện

2.3.6 Phân bổ tài nguyên động

Vì chuyển mạch, điều chế và các chức năng RF khác được thực hiện tại trạm đầu cuối nên có thể phân phối dung lượng động Ví dụ trong hệ thống phân phối RoF với lưu lượng WCDMA, dung lượng có thể được phân bổ thêm tới một vùng trong các thời gian cao điểm và sau đó phân bổ lại cho các vùng khác khi hết thời gian cao điểm Điều này có thể đạt được bằng cách cấp phát thêm các bước sóng quang nhờ kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) khi nhu cầu tăng lên Cấp phát dung lượng động là cần thiết, vì nó giúp ta tránh được sự lãng phí tài nguyên do lưu lượng trên mạng biến đổi thường xuyên

2.4 Hạn chế của kỹ thuật RoF

Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây là một hệ thống truyền dẫn tương tự Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF Những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn là hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của các tuyến RoF Nguồn tạp âm trong đường truyền 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, tán sắc của sợi Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode giới hạn nghiêm trọng băng tần và khoảng cách tuyến truyền dẫn

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN TIÊU CHUẨN WCDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Hiện nay mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được triển khai phổ biến trên khắp thế giới Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đã đạt được mục tiêu là đáp ứng tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy nhập internet nhanh hoặc các ứng dụng đa phương tiện, do yêu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ này Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA UMTS và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đã được đưa vào hoạt động Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin động thế hệ ba

Trong chương này, các thông tin chi tiết về WCDMA một công nghệ truy nhập vô tuyến, công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên băng rộng được giới thiệu để hiểu thêm về đề tài nghiên cứu Những giải thích chi tiết hơn về các công nghệ truyền dẫn WCDMA sẽ được thảo luận và mô tả Ngoài ra, phần này cũng cung cấp một cái nhìn khái quát về các giao diện vô tuyến của WCDMA, các đặc tính dải rộng, các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WCDMA

3.1 Giới thiệu WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 3G của IMT-2000 WCDMA là một công nghệ truy nhập

vô tuyến đó là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã trên băng rộng Hệ thống này hoạt động ở chế độ FDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS- Direct Sequence Spectrum) sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz Băng tần rộng hơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lợi xử lý và một giải pháp thu đa đường tốt hơn

WCDMA hỗ trợ cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở

mức hiệu quả cao nhất Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ

Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phương pháp điều chế QPSK, cung cấp tốc độ

số liệu đỉnh là 2Mbps với chất lượng truyền tốt trong vùng phủ rộng

3.2 Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến của WCDMA

3.2.1 Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp

Hệ thống thông tin trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) là hệ thống thông tin mà nhiều người sử dụng có thể cùng chiếm một kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi Mỗi người sử dụng đều sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn

bộ dải tần phân bố Theo cách đó mỗi người sử dụng tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác Mỗi người sử dụng được phân biệt nhờ dùng một

mã đặc trưng không trùng với người khác

Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ (SS: Spread Spectrum) nếu: Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

mã trải phổ có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb là thời gian một bit) của luồng số cần phát Hiệu quả của quá trình này là trải rộng độ rộng băng tức thời của dạng sóng theo hệ số trải phổ Tại đầu thu quá trình giải trải phổ được thực hiện bằng việc nhân với cùng một chuỗi nhị phân được dùng để trải phổ ở phía máy phát để thu lại luồng số liệu ban đầu

Hình 3.1 là sơ đồ đơn giản của bộ trải phổ DSSS trong đó luồng số cần truyền x có tốc độ Rb được nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc

độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb của luồng vào

b R

C

R

Hình 3.1 Quá trình trải phổ Hình 3.2 thể hiện quá trình trải phổ và nén phổ trong miền thời gian Quá trình trải phổ trong đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=y×c

Hình 3.2 Trải phổ chuỗi trực tiếp trong miền thời gian

3.2.2 Khả năng chống nhiễu của hệ thống trải phổ

Trong các hệ thống thông tin trải phổ thì sự trải phổ tin tức đã phân bố công suất tín hiệu vào một dải tần rất rộng so với phổ tín hiệu gốc làm cho mật độ phổ công suất

tín hiệu trở lên khá thấp và giống như tạp âm Khi đến đầu thu thì máy thu cũng thu

cả nhiễu trong độ rộng băng trải phổ W nhưng sau khi nén phổ độ rộng băng của tín hiệu cần thu sẽ giảm về giá trị ban đầu B trong khi độ rộng băng của nhiễu vẫn giữ nguyên W Như vậy, quá trình lọc đối với độ rộng băng tần tín hiệu B sẽ loại bỏ công suất nhiễu trong SNR của số liệu băng gốc

Công suất tín hiệu: P S = A1W = A0B như vậy mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ giảm đi hệ số A1/A0 =B/W = 1 /N so với mức khi không trải phổ

− 0

B A W A

Hình 3.3 Quá trình trải phổ trong miền tần số Phía thu nhận được tín hiệu có độ rộng băng W, đồng thời cũng bị nhiễu trong băng này với mức nhiễu là N0 tương đối lớn so với tín hiệu như hình 3.4 Khi đó tỉ số SNR của tín hiệu RF là (SNR)RF = A1/N0 < 1 sau khi nén phổ

RF SNR B

W N

A B

− O

Hình 3.4 Quá trình nén phổ loại bỏ ảnh hưởng nhiễu Ngoài ra trong trường hợp có các nguồn phát sóng không trải phổ nếu có băng tần trùng với băng tần của tín hiệu thì khi thu nhiễu này sẽ bị trải phổ mật độ phổ công suất nhiễu này sẽ giảm xuống khi qua bộ lọc thu thì nhiễu sẽ bị tối thiểu hoá

Như vậy bản chất của nguyên tắc trải phổ ở phía phát nén phổ ở phía thu làm cho ảnh hưởng của nhiễu tạp âm bị tối thiểu hoá Phổ tín hiệu càng trải rộng ở phía phát tương ứng càng nén hẹp ở phía thu thì càng có lợi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR

3.2.3 Áp dụng DSSS cho CDMA

Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã dựa trên CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:

Tích hai mã giống nhau bằng 1: ci×ci=1

Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: ci×cj=ck

Có số bit 1 bằng số bit -1 trong một mã →

1

1

0

N k k