Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp

-

TRẦN TRỌNG TÙNG ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG

OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018

-

TRẦN TRỌNG TÙNG ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG

OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC NHÂN

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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 luận văn

Trần Trọng Tùng Anh

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nỗ lực thực hiện, đồ án “Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp” phần nào đã hoàn thành Ngoài sự nỗ lực của bản thân, học viên còn nhận được sự khích lệ rất nhiều từ phía nhà trường, thầy

cô, gia đình và bạn bè trong khoa Chính điều này đã mang lại cho học viên sự động viên rất lớn để học viên có thể hoàn thành tốt đồ án của mình

Trước hết con xin cảm ơn bố mẹ, ông bà và những người thân yêu đã luôn động viên, ủng hộ, chăm sóc và tạo mọi điều kiện tốt nhất để con hoàn thành nhiệm

vụ của mình

Học viên xin cảm ơn Học viện nói chung và Khoa quốc tế và đào tạo sau đại học nói riêng đã đem lại cho học viên nguồn kiến thức vô cùng quý giá để học viên

có đủ kiến thức hoàn thành đồ án cũng như làm hành trang bước vào đời

Học viên xin cảm ơn các thầy cô, đặc biệt là thầy Nguyễn Đức Nhân - giáo viên hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ mỗi khi học viên có khó khăn trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân yêu đã động viên, giúp đỡ học viên trong suốt

Học viên thực hiện

Trần Trọng Tùng Anh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG QUANG 4 1.1 Mở đầu 4

1.2 Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM 4

1.3 Đơn sóng mang và đa sóng mang 5

1.3.1 Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier) 5

1.3.2 Đa sóng mang (Multi - Carrier) 6

1.4 Nguyên lý hoạt động của OFDM 7

1.5 Phương pháp điều chế OFDM 9

1.5.1 Điều chế đơn sóng mang 9

1.5.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang 9

1.5.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 10

1.6 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD) 15

1.7 Ứng dụng OFDM trong mạng quang thụ động 16

1.8 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG QUANG SỢI 19

2.1 Mở đầu 19

2.2 Hệ thống truyền dẫn quang sợi 19

2.3 Ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống quang sợi 20

2.3.1 Khái niệm hiệu ứng phi tuyến 20

2.3.2 Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến 21

2.3.3 Phân loại hiệu ứng phi tuyến 22

2.3.4 Hiệu ứng tán xạ kích thích 23

2.3.5 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến 30

2.3.6 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM 37

2.4 Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN 41

3.1 Mở đầu 41

3.2 Ảnh hưởng quang phi tuyến trong hệ thống OFDM điều biến cường độ thu trực tiếp 42

3.2.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM 42

3.2.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng XPM 46

3.3 Khảo sát ảnh hưởng phi tuyến lên hiệu năng của hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 50

3.3.1 Mô hình khảo sát 50

3.3.2 Hệ thống mô phỏng 51

3.4 Kết quả mô phỏng 55

3.4.1 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh 55

3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 4 kênh WDM 57

3.4 Kết luận chương 3 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT

Từ viết

tắt

CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

EA Electrical Amplifer Bộ khuếch đại điện

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang pha erbium EOC Electro-Optical Converter Bộ chuyển đổi điện - quang EVM Error Vector Magnitude Độ lớn vector lỗi

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

ICI Interchancel Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Invert Discrete Fourier

Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Invert Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

IM/DD Intensity

Modulation/Direct Ditection

Điều biến cường độ/thu trực tiếp

ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

SSMF Standard Single-mode fiber Sợi quang đơn mode chuẩn

VEA Variable Electrical Attenuator Bộ suy hao điện biến đổi

VOA Variable Optical Attenuator Bộ suy hao quang biến đổi

WDM Wavelength Division

Mutilplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Truyền dẫn sóng mang đơn 5

Hình 1.2 Truyền dẫn đa sóng mang 6

Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 7

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 8

Hình 1.5 Hệ thống đa sóng mang 10

Hình 1.6 Khối biến đổi serial to parallel và điều chế số 11

Hình 1.7 Dòng bit đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang 11

Hình 1.8 Sóng mang 1 và những bit đã được điều biến 12

Hình 1.9 Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế 12

Hình 1.10 Sóng mang 3, 4 và những bit đã được điều chế 13

Hình 1.11: Các sóng mang được tổng hợp trong miền tần số 13

Hình 1.12 Khối điều chế tín hiệu OFDM 13

Hình 1.13 Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu OFDM 14

Hình 1.14 Mô hình hệ thống OFDM IM / DD tầm ngắn 15

Hình 1.15 Mô hình IM-DD PON 16

Hình 1.16 Kiến trúc OFDM PON 17

Hình 2.1 Hệ thống truyền thông quang học 19

Hình 2.2: Tương tác tuyến tính và phi tuyến 21

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của chiết suất sợi silic vào công suất quang 22

Hình 2.4 Phân loại hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang 23

Hình 2.5 Phonon âm học và quang học 24

Hình 2.6 Tán xạ Raman kích thích trong hệ thống WDM 25

Hình 2.7 Khoảng cách kênh do kích thích Raman 26

Hình 2.8 Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược khi công suất quang tăng 29

Hình 2.9 Tần số tín hiệu của hiệu ứng SBS 29

Hình 2.10 Mô tả hiện tượng mở rộng phổ của xung do hiệu ứng SPM 32

Hình 2.11 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 34

Hình 2.12 Độ chirp tần cho các xung Gauss (nét đứt) và siêu Gauss (nét liền) 37

Hình 2.13 Hiệu ứng FWM với các mức khoảng cách khác nhau theo khoảng cách kênh 39

Hình 2.14: Biểu diễn sự trộn của 3 sóng 40

Hình 3.1 Mô hình phổ (sóng mang quang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của 3 kênh quang của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi, và các thành phần sóng mang – sóng mang và sóng mang – tín hiệu FWM tương ứng ở đầu ra sợi 43

Hình 3.2: Mô tả phổ (sóng mang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của 2 kênh của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi quang, và tín hiệu và các thành phần méo do XPM tương ứng của đầu ra sợi quang 46

Hình 3.3: Sơ đồ mô hình khảo sát hệ thống WDM-PON 50

Hình 3.4: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp sử dụng một kênh truyền tín hiệu 52

Hình 3.5: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp với hệ thống 4 kênh WDM PON 53

Hình 3.6: Sơ đồ khối một kênh phát (Signal 1) 54

Hình 3.7: Sơ đồ khối của một kênh thu trực tiếp (Receiver 1) 55

Hình 3.8: Phổ tín hiệu a) OFDM và b) tín hiệu quang sau bộ lọc Gauss 56

Hình 3.9: Biên độ vector lỗi (EVM) trong hệ thống OFDM đơn kênh 56

Hình 3.10: Phổ tín hiệu a) sau khi đi qua bộ ghép kênh WDM và b) qua bộ tách WDM và lọc tần 193.1 Thz 58

Hình 3.11: EVM của 2 kênh 193.05 THz (xanh) và 193.1 Thz (đỏ) trong hệ thống WDM OFDM 58

Hình 3.12: So sánh EVM của kênh 2 (193.1 Thz) 59

Hình 3.13: EVM của kênh 2 (193.1 Thz) với độ dài sợi quang thay đổi 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Tham số hệ thống OFDM đơn kênh 52Bảng 3.2: Tham số hệ thống 4 kênh WDM-PON 53

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi về mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Do vậy sử dụng truyền dẫn quang với băng thông cực lớn luôn

là công nghệ nền tảng để đáp ứng được nhu cầu đó Hiện nay bên cạnh các giải pháp

kỹ thuật truyền thống như Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), các công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và định dạng điều chế quang tiên tiến như QPSK hay QAM đã cho phép tốc độ truyền dẫn lớn hơn 100 Gbit/s mỗi kênh bước sóng và dung lượng truyền dẫn có thể lên tới 20 Tbit/s

Tuy nhiên sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) quang là một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong những năm gần đây Đây là kỹ thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả phổ tần số mà còn làm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi quang một trong những giới hạn chính khi hệ thống hoạt động ở tốc

độ cao Các giải pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM – quang được chia làm hai loại cơ bản tuỳ thuộc vào phạm vi của hệ thống truyền dẫn Với các hệ thống quang cự ly ngắn, không đòi hỏi ngặt nghèo về hiệu quả sử dụng phổ tần số, giải pháp

sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation with Direct Detection - IM/DD) được sử dụng phổ biến do sự đơn giản trong cấu trúc bộ phát, bộ thu và dễ thực hiện Trong khi đó, các hệ thống quang tốc độ cao, cự ly dài đòi hỏi hiệu quả sử dụng phổ tần số và hiệu quả công suất phát thường sử dụng kĩ thuật điều biến trường và tách sóng coherent

Trong các ứng dụng cho các mạng truy nhập và mạng vùng đô thị với khoảng cách truyền dẫn không quá lớn và dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM là một lựa chọn phù hợp vì tính kinh tế và dễ triển khai Tuy nhiên khác với hệ thống OFDM trong vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp sẽ chịu ảnh hưởng của phi tuyến sợi quang và giới hạn hiệu năng hệ thống

Với mục đích khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hiệu năng hệ thống OFDM quang, từ đó đánh giá được các điều kiện giới hạn cũng như có thể đề xuất

các giải pháp cải thiện hiêu năng hệ thống, tôi xin chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến sợi quang lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp”

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:

Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất phát triển Đã có rất nhiều đề tài được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả cũng như đề ra các giải pháp để cải thiện hiệu năng hệ thống OFDM quang Đặc biệt, một số đề tài

đã nêu lên các phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM quang thu trực tiếp (OFDM IM/DD) cũng như tập trung vào so sánh, tối ưu công suất tiêu thụ và giá thành hệ thống

Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp là một vấn đề đáng được quan tâm, với mục đích làm rõ và đưa ra các giải pháp để tối ưu hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD)

Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong sợi quang,

từ đó đánh giá ảnh hưởng lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp với các mục tiêu

cụ thể sau:

- Nghiên cứu tổng quan hệ thống OFDM quang thu trực tiếp

- Phân tích các ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong môi trường truyền dẫn quang sợi

- Xây dựng mô hình và khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống OFDM quang

Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết dựa trên các tài liệu tham khảo (bao gồm các bài báo khoa học, báo cáo kỹ thuật, nội dung thuyết trình và thông tin trên trang Web của các công ty) để tổng hợp, phân tích, đánh giá các nội dung liên quan đến mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình phân tán cũng như theo mô hình đám mây để từ đó đưa ra các đề xuất và khuyến nghị

Bố cục luận văn:

Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM trong hệ thống quang

Chương 2: Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang sợi Chương 3: Khảo sát hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp dưới ảnh hưởng của phi tuyến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ

THỐNG QUANG

1.1 Mở đầu

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi một mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Với sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) quang là một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong những năm gần đây Đây là kỹ thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả phổ tần số mà còn làm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi quang một trong những giới hạn chính khi

hệ thống hoạt động ở tốc độ cao

Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất phát triển Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp là một vấn đề đang được quan tâm Với mục đích làm rõ và đưa ra các giải pháp để tối ưu hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD), trong chương 1 của luận văn sẽ đi tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật OFDM nói chung,

từ đó nêu lên các giải pháp tạo tín hiệu OFDM trong hệ thống quang cũng như các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống

1.2 Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trải qua nhiều năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có

thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến Các ứng dụng cụ thể của OFDM hiện nay trên thế giới như sau:

 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terestrial transmission) (1995)

 Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale)

 Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber line)

 Các chuẩn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g

 Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 (High Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000)

 OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G Tại Việt Nam, ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM cũng rất đa dạng như mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, truyền hình mặt đất DVB-T, các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa, các mạng về thông tin máy tính không dây như hiperLAN/2, IEEE 802.11a, g

1.3 Đơn sóng mang và đa sóng mang

1.3.1 Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền

đi chỉ trên một sóng mang Cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang được thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Truyền dẫn sóng mang đơn

Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu

Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang

1.3.2 Đa sóng mang (Multi - Carrier)

Nếu hệ thống truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, hệ thống đó được gọi là đa sóng mang Mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích

Hình 1.2 Truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC Bên máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường

và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các

ký tự, … Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một

bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, để giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được

dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn

1.4 Nguyên lý hoạt động của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký hiệu OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) [1]

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng

thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian kí hiệu tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

Ý tưởng chính của kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành K luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát các luồng dữ liệu đó trên các sóng mang con khác nhau trực giao

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được đưa qua khối mã hóa dữ liệu và điều chế số để mã hoá dữ liệu dưới dạng số, mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình

tự hỗn hợp

Sau đó, những ký hiệu hỗn hợp này được đưa qua bộ biến đổi IFFT tạo ra đặc trưng trực giao của các sóng mang con Tín hiệu sau khi được trực giao hóa nhờ bộ IFFT sẽ được chuyển đổi trở về dạng dữ liệu nối tiếp bằng bộ chuyển đổi song song

- nối tiếp (P/S) Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI

do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau khi đã được chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số đó sẽ được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, quá trình được thực hiện

ngược lại với quá trình phát Tín hiệu được lấy mẫu và sau khi qua bộ biến đổi A/D

để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số Tiếp đến, phần CP được loại bỏ Sau khi loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu được đưa qua bộ biến đổi S/P để chuyển từ dạng nối tiếp sang song song, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT Các kí hiệu hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Các kí hiệu song song sau bộ FFT được chuyển

về dạng nối tiếp qua bộ P/S Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

1.5 Phương pháp điều chế OFDM

Trước khi chúng ta tìm hiểu phương pháp điều chế OFDM, chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang Từ đó có thể nhận thấy được những ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM

1.5.1 Điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần

và mỗi tín hiệu có độ dài là: T sc  1/B

Nhược điểm:

Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn Điều này được giải thích do độ dài của 1 mãu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do vậy, ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu

Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đới với hệ thống do băng thông rộng kệnh phụ thuộc vào tần số

Từ những hạn chế trên, làm cho bộ cân bằng kệnh và lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

1.5.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang

Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm của phương pháp điều chế đơn sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con

là khác nhau thể hiện ở hình 1.5

Hình 1.5 Hệ thống đa sóng mang

Phương pháp này còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tín hiệu của hệ thống chia làm Nc=2L+1 kênh song song Vì vậy, độ dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang là: T s 1/F s  T N PT s c Hệ quả

đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế

đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần do vậy, ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm

Ưu điểm:

Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI giảm

Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều phần

Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Hạn chế:

Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity) Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong 1 mẫu tín hiệu

1.5.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần Ngược lại nếu các kênh phụ thuộc được khoảng cách nhật định thì sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang, người ta đã sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau

Các bước điều chế tín hiệu OFDM:

(1) Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song

(2) Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức

(3) Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ

(4) Nhân với hàm phức 𝑒𝑗𝑛𝜔 𝑠𝑡

(5) Tạo khoảng bảo vệ

1.5.3.1 Xét khối biến đổi serial to parallel và điều chế OFDM:

Hình 1.6 Khối biến đổi serial to parallel và điều chế số

Khối này có nhiệm vụ biến đổi 1 chuỗi tín hiệu nối tiếp thành các chuỗi tín hiệu dưới dạng song song Khối này thực hiện chức năng giống với điều chế FDM

Ví dụ 1.1: Trong hệ thống OFDM có N sóng mang, N có thể là bất cứ giá trị nào

trong khoảng từ 16 – 1024 tùy thuộc vòa mội từng mà hệ thống đang sử dụng

Chúng ta tiến hành thí nghiệm truyền bit mà chúng ta muốn truyền bằng việc

sử dụng công nghệ OFDM với 4 sóng mang phụ Tín hiệu có tần số lấy mẫu là 1 mẫu/kí hiệu

Hình 1.7 Dòng bit đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang

Những bit đầu tiên là: 1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,…

Chúng ta sẽ viết những bit này theo 4 cột, biến đổi các bit từ nối tiếp sang song song:

Mỗi côt biểu diễn những bit, những bit này được mang bởi 1 sóng mang phụ Chúng ta sẽ bắt đầu với cột sóng mang đầu tiên, cột c1 Tần số ở đây là bao nhiêu Theo định lý Nyquist về lấy mẫu, chúng ta biết rằng tần số nhỏ nhất mà có thể truyền đạt thông tin phải bằng 2 lần tốc độ truyền tin Trong trường hợp này, tốc độ truyền tin sẽ là ¼ hay 4 sóng mang sẽ mang 1 kí hiệu/1s Như vậy tần số song mang nhỏ nhất có thể truyền được là ¼ thông tin là 1/2Hz Nhưng chúng ta chọn 1Hz cho thuận lợi Nếu chúng ta chọn tần số bắt đàu là ½ thì tiếp theo sẽ là 1,3/2 và 2

Sóng mang 1- chúng ta cần truyền 1,1,1,-1,-1,-1 Chúng sẽ được đặt lên tần số sóng mang là 1Hz Bít đầu là 1 và các bít sau là -1

Hình 1.8 Sóng mang 1 và những bit đã được điều biến

Sóng mang 2- tần số tiếp theo là 2Hz Nó sẽ trực giao với tần số của sóng mang 1Hz Bây giờ ta sẽ sủ dụng bit ở cột 2 1,1,-1,1,1,-1 và điều biến chúng theo hình tiếp theo

Hình 1.9 Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế

Tương tự sóng mang 3 và sóng mang 4 ta có

Hình 1.10 Sóng mang 3, 4 và những bit đã được điều chế

Sóng mang phụ 3 và sóng mang phụ 4 và những bit đã được điều chế bây giờ chúng ta sẽ điều biến tất cả các bit sử dụng 4 tần số sóng mang từ 1Hz đến 4HZ

Hình 1.11: Các sóng mang được tổng hợp trong miền tần số

 Khối điều chế tín hiệu OFDM

Hình 1.12 Khối điều chế tín hiệu OFDM

Tín hiệu được chia nhỏ thành các luồng dữ liệu song song qua bộ biến đổi serial-to-parallel converter thành các dòng bit trên mỗi luồng song song là {ai,n}, tốc

độ dữ liệu trên mỗi luồng sẽ giảm đi n lần Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n} lại được điều chế thành các mẫu tín hiệu đa mức {dk,n} qua bộ điều chế số Trong đó,

n là chỉ số của các sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng

Nc bit song song khi qua bộ biến đổi nối tiếp song song

K là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và qua bộ tổng thì tín hiệu cuối cùng được biểu diễn như sau:

Khi biến đổi luồng tín hiệu trên thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số:

(1.2) Trong đó, B là toàn bộ băng tần của hệ thống Tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta, S’(t-kT)=so, do vậy công thức được viết lại như sau:

(1.3)

Kết quả cuối cùng là 𝑒𝑗𝑛𝑤𝑠 𝑘𝑇𝑠 = 1

1.5.3.2 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.13 Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu OFDM

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế:

(1) Tách khoảng bảo vệ

(2) Nhân với hàm số phức 𝑒𝑗𝑛𝜔𝑠𝑡 dịch băng tần của mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế

(3) Giải điều chế ở các sóng mang phụ

(4) Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

(5) Chuyển đổi dòng bít song song thành dòng bit nối tiếp giống như bít đã phát

đi

1.6 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD)

Các giải pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM – quang được chia làm hai loại cơ bản tuỳ thuộc vào phạm vi của hệ thống truyền dẫn Với các hệ thống quang cự ly ngắn, không đòi hỏi ngặt nghèo về hiệu quả sử dụng phổ tần số, giải pháp

sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (intensity modulated and direct detected: IM / DD) liên kết sợi PON được sử dụng phổ biến do sự đơn giản trong cấu trúc bộ phát, bộ thu và dễ thực hiện Mô hình hệ thống OFDM quang thu trực tiếp tầm ngắn được thể hiện trong hình 1.14 dưới đây

Hình 1.14 Mô hình hệ thống OFDM IM / DD tầm ngắn

Hình 1.15 mô tả mô hình liên kết sợi quang IM-DD PON 10Gb/s

Hình 1.15 Mô hình IM-DD PON

Tín hiệu OFDM được tạo ra sẽ điều chỉnh một DFB-Laser tương tự 1550nm của công suất quang 3dBm

Để giảm các vấn đề phi tuyến laser, tín hiệu OFDM được thực hiện để điều biến trong dải tuyến tính của công suất phát xạ Tín hiệu phát ra được truyền qua sợi chuẩn đơn mode (SSMF G-652) trước khi được phát hiện và lọc tại bộ tiếp nhận bởi

một bộ mã hoá bằng PIN với một bộ khuếch đại biên độ

Khi tăng chiều dài sợi cho một giá trị henry cố định laser, các tần số cộng hưởng hệ thống sẽ dịch sang trái và các thanh dẫn truyền sẽ thu hẹp Tỷ lệ lỗi bit (BER) được tính theo công thức sau:

(1.6) 1.7 Ứng dụng OFDM trong mạng quang thụ động

Mạng quang thụ động (Passive Optical Network: PON) là bộ công nghệ được chuẩn hoá bởi ITUT và IEEE PON là một cơ sở hạ tầng hội tụ có thể thực hiện nhiều dịch vụ như dịch vụ POTS, VoIP, … Trong đó tất cả các dịch vụ này được chuyển đổi và đóng gói trong một gói duy nhất để truyền qua sợi PON

PON là một hình thức truy cập mạng cáp quang, kiểu mạng kết nối Điểm - Đa điểm (P2M), các sợi quang làm cơ sở tạo kiến trúc mạng Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp,

vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia và băng thông được

chia sẻ từ nhánh (feeder) đến người dùng (drop), cho phép một sợi quang đơn phục

vụ nhiều nhánh cơ sở

PON bao gồm một thiết bị đầu cuối dây quang (OLT-Optical Line Terminal)

tại văn phòng trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ và các thiết bị mạng quang học

(ONUs - Optical Network Units) nơi gần người dùng cuối

Công nghệ PON làm giảm yêu cầu số lượng dây dẫn và thiết bị tại văn phòng trung tâm so với các kiến trúc điểm - điểm

Tín hiệu đường xuống được chia sẻ đến tất cả các nhánh sợi cơ sở Tín hiệu download được tới các thành phần, tín hiệu này được mã hóa để có thể ngăn ngừa bị trộm Tín hiệu upload được kết hợp bằng việc sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) OLT sẽ điều khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đường xuống

OFDM PON, sử dụng kỹ thuật OFDM làm giải pháp điều chế và khai thác khả năng truyền dẫn cao của nó để cải thiện việc cung cấp băng thông cho truy cập mạng quang học OFDM sử dụng một số lượng lớn các subcarriers trực giao gần nhau để phân luồng dữ liệu Mỗi subcarrier được điều chế bởi một chương trình điều chế thông thường ở tốc độ thấp Do tốc độ truyền dữ liệu bởi mỗi sóng mang phụ rất thấp, nên thời gian của mỗi ký hiệu tương đối lớn Do đó, sự can thiệp giữa các ký hiệu có thể bị giảm hiệu quả trong một kênh đa đường vô tuyến

Trong truyền thông quang học, sự phân tán bao gồm sự tán sắc và sự phân tán phân cực có hiệu quả tương tự như của đa đường Do đó, sử dụng chương trình điều chế OFDM trong mạng truy nhập quang có thể làm tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu mạng và kéo dài phạm vi tiếp cận mạng

Hình 1.16 Kiến trúc OFDM PON

OFDM-PON có thể được kết hợp với hệ thống WDM để tăng cường cung cấp băng thông, và do đó trở thành một công nghệ cạnh tranh sau này OFDM PON có những ưu điểm sau:

- Tăng cường hiệu quả quang phổ: tính trực giao giữa các sóng mang con trong OFDM cho phép chồng chéo quang phổ của kênh phụ riêng lẻ

- Các thiết bị quang học tích hợp rất tốn kém, và các module quang học 10G hoặc cao hơn có thể làm tăng đáng kể chi phí của một mạng truy cập OFDM PON tránh các thiết bị quang học tốn kém và sử dụng thiết bị điện

tử rẻ hơn

- Tùy thuộc vào môi trường kênh và các kịch bản ứng dụng, OFDM có thể

tự động phân bổ số bit được vận chuyển bởi mỗi subcarrier, xác định sơ đồ điều chế được sử dụng bởi mỗi subcarrier, và điều chỉnh công suất phát của mỗi subcarrier bằng cách sử dụng một thuật toán FFT đơn giản Trong OFDM-PON, phân bổ của mỗi subcarrier được thực hiện trong thời gian thực theo khoảng cách truy cập, loại thuê bao, và dịch vụ truy cập

- OFDM là một công nghệ trưởng thành trong truyền thông không dây đã được áp dụng cho WiMAX, WiFi và UWB (Ultra-Wideband) Bằng cách

sử dụng OFDM để mang tín hiệu PON, OFDM hỗ trợ truy cập OFDM baseband, UWB, WiMAX, WiFi và tín hiệu OFDM sóng millimet

1.8 Kết luận chương 1

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

có được Kỹ thuật này làm cho thông tin truyền đi với 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

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN

TRONG HỆ THỐNG QUANG SỢI

2.1 Mở đầu

Trong các ứng dụng cho các mạng truy nhập và mạng vùng đô thị với khoảng cách truyền dẫn không quá lớn và dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM là một lựa chọn phù hợp vì tính kinh tế và dễ triển khai Sự kết hợp với kỹ thuật WDM

sẽ làm tăng năng lực và tính cạnh tranh cho toàn bộ giải pháp Tuy nhiên khác với hệ thống OFDM trong vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp sẽ chịu ảnh hưởng của phi tuyến sợi quang và giới hạn hiệu năng hệ thống Ảnh hưởng này trở thành yếu tố cần xem xét trong điều kiện khoảng cách hệ thống được mở rộng đòi hỏi quỹ công suất lớn hơn bằng việc nâng công suất phát kênh truyền

Do vậy trong chương 2 này, luận văn sẽ trình bày các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang thông qua đó làm rõ hiện tượng, tính chất, ảnh hưởng của chúng trong hệ thống truyền dẫn quang nói chung và trong hệ thống OFDM quang nói riêng

2.2 Hệ thống truyền dẫn quang sợi

Hệ thống truyền thông quang là hệ thống sóng ánh sáng truyền thông tin thông qua sợi quang Tương tự như các hệ thống truyền thông khác, thành phần của hệ thống truyền thông quang học bao gồm máy phát, máy thu và kênh truyền, như thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1 Hệ thống truyền thông quang học

Nguồn quang có thể là laser bán dẫn hoặc điốt phát sáng, tạo ra sóng mang ở các tần số khác nhau Các tín hiệu điện đi vào bộ điều biến có thể được tạo trước bởi các định dạng điều chế khác nhau, ví dụ On-Off Keying và PSK

Bộ điều biến thường dùng là bộ điều biến Mach-Zehnder, được sử dụng để điều biến sóng mang quang học và chuyển đổi tín hiệu điện sang thành tín hiệu quang Các tín hiệu quang tạo ra được truyền qua các sợi quang học

Tại máy thu, được sử dụng để chuyển đổi các tín hiệu quang trở lại với các tín hiệu điện và những tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế và phục hồi

Sợi quang có thể được phân thành sợi quang đa mode và sợi đơn mode (SMF) tùy thuộc vào đường kính lõi của sợi Trong nghiên cứu này, luận văn chỉ phân tích tín hiệu đi qua SMF vì SMF là loại sợi được sử dụng phổ biến nhất trên các hệ thống truyền dẫn hiện nay Khi tín hiệu truyền qua sợi, chúng sẽ trải qua sự suy hao, tán sắc màu và méo dạng phi tuyến Sự suy hao của sợi gây ra chủ yếu do sự dao động của chỉ số khúc xạ và sự không hoàn hảo của sợi

Bộ khuếch đại quang được sử dụng để bù đắp sự suy hao, nhưng bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE), giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR)

2.3 Ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống quang sợi

2.3.1 Khái niệm hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do sự thay đổi hệ số khúc xạ phụ thuộc vào cường độ trường trong sợi và hiện tượng tán xạ không đàn hồi Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) như thể hiện trong hình 2.2

Hầu hết các hệ thống thông tin quang hiện nay đang khai thác trên mạng lưới viễn thông đều sử dụng sợi quang truyền dẫn trong mội tường tuyến tính mà ở đó các tham số sợi không phụ thuộc vào công suất quang

Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh

hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống, thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thông ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin mà có thể được làm bằng việc tăng tốc độ bit, giảm khoảng cách giữa các kênh hoặc kết hợp cả 2 phương pháp trên, các ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở thành yếu tố quyết định giới hạn hiệu năng hệ thống

Hình 2.2: Tương tác tuyến tính và phi tuyến [6]

2.3.2 Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng phi tuyến xuất hiện khi công suất quang phát trên đường truyền tăng đến mức đủ lớn Nguyên nhân gây ra hiện tương này là do 2 yếu tố:

- Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào công suất ánh sáng:

n=n0 + n2 𝑃0

Trong đó:

n0: là chỉ số chiết suất tuyến tính

n2: là chỉ số chiết suất phi tuyến Gía trị điển hình của n2 trong thủy tinh silic là 3,2.10-20m2/W và không phụ thuộc vào bước sóng

Leff -chiều dài hiệu dụng, Aeff - diện tích hiệu dụng, Ieff - cường độ hiệu dụng

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của chiết suất sợi silic vào công suất quang

Ta nhận thấy sự thay đổi chiết suất tương đối nhỏ, song nó lại rất quan trọng

vì chiều dài tương tác trong sợi quang thực tế có thể lên tới hàng trăm km

- Yếu tố thứ 2 gây ra hiệu ứng phi tuyến đó là do hiện tượng tán xạ kích thích như hiệu ứng tán xạ Raman kích thích, hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích

2.3.3 Phân loại hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn, đối với hệ thống WDM thì mức công suất này thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh

Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống có thể chia thành hai loại dựa trên hiện tượng và tính chất của hiệu ứng, đó là: hiệu ứng tán xạ không đàn hồi và hiệu ứng khúc xạ phi tuyến

 Hiệu ứng tán xạ không đàn hồi, các chuyên gia phân thành 2 loại:

- Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scrattering SRS): là hiện tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang với cường độ đủ lớn sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống suy giảm tín hiệu quá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

- Hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (Stimulated Brillouin Scrattering SBS): có hiện tượng giống như SRS nhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện chiều ngược với tín hiệu tán xạ

 Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến, gồm 3 loại:

- Hiệu ứng tự điều pha SPM (Self Phase Modulation): là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến đổi pha của sóng quang làm phổ tần mở rộng Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang ảnh hưởng sẽ càng nghiêm trọng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn

- Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM (Cross Phase Modulation): xảy ra trong

hệ thống nhiều bước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào của kênh khác dẫn đến pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất

- Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four Wave Mixing): xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế số bước sóng được sử dụng Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra các hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm

tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

Hình 2.4 Phân loại hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang

Hiện tượng, tính chất và ảnh hưởng của những loại hiệu ứng này đối với hệ thống truyền dẫn quang sẽ được trình bày cụ thể trong các phần dưới đây

2.3.4 Hiệu ứng tán xạ kích thích

Trong vật lý học, 1 phonon là 1 giả hạt có đặc tính lượng tử của mode dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn Khi các tế bào đơn

vị có nhiều hơn 1 nguyên tử, các tinh thể sẽ bao gồm 2 loại phonon: âm học và quang học

- Phonon âm học: là ion dương và âm dao động cùng chiều

- Phonon quang học: dễ dàng bị kích thích bằng ánh sáng, các ion âm và dương dao động ngược chiều

Hình 2.5 Phonon âm học và quang học

2.3.4.1 Tán xạ do kích thích Raman – SRS

* Nguyên nhân

Tán xạ do kích thích Raman SRS là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng lượng của 1 photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác Vì vậy, SRS được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn bên ngoài

Trong hệ thống đa kênh, SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng dài hơn

SRS sinh ra bởi sự chuyển động của các phần tử do mật độ năng lượng cao trong sợi quang Ánh sáng tán xạ được phát ra ở tần số thấp (bước sóng dài) hơn tín hiệu tới (tán xạ không đàn hồi)

SRS sinh ra năng lượng chuyển đổi những kênh có bước sóng ngắn thành các kênh có bước sóng dài hơn, tạo ra phổ nghiêng Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ hơn làm giảm hiệu suất truyền của chúng Tuy nhiên hệ số

khuếch đại Raman nhỏ, nên nó có thể được bù bằng cách sử dụng kỹ thuật cân bằng phù hợp

Hình 2.6 Tán xạ Raman kích thích trong hệ thống WDM

 Tính chất

- Tán xạ tia sáng được dịch chuyển trong tần số 13THz, hay còn được gọi là dịch chuyển Stoke

- Băng thông khuếch đại của SRS là 20-30THz

- Một vài photon bơm bỏ năng lượng của mình để tạo thành Photon khác có năng lượng giảm và tần số thấp hơn Năng lượng còn lại được hấp thụ bởi các phần tử Silica và kết thúc ở trạng thái rung

- Tán xạ SRS là một quá trình đẳng hướng xảy ra trên tất cả mọi hướng

- Tiến trình SRS trở nên bị kích thích nếu công xuất bơm vượt giá trị ngưỡng

Sự va đập của sóng bơm và tia sáng kích thích theo 2 hướng tạo ra một thành phần tần số tại tần số va đập: 𝜔𝑝 − 𝜔𝑠 Trong đó:

𝜔𝑝: là tần số sóng bơm

𝜔𝑠: là tần số tín hiệu

Các hoạt động này có vai trò như nguồn phát sinh các dao động phần tử Khi

đó biên độ sóng kích thích được gia tăng để phù hợp với những dao động này, phản hồi dương được thiết lập

Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh với đỉnh gR ~ 6.10-14m/W ở bước sóng 1,55µm

Hình 2.7 Khoảng cách kênh do kích thích Raman

Ở mức công suất cao, hiện tượng phi tuyến SRS xảy ra cần xem xét đến sự suy hao sợi Cường độ ánh sáng sẽ tăng theo hàm mũ mỗi khi công suất quang vượt giới hạn nhất định Giá trị ngưỡng này được tính toán dựa trên việc cường độ ánh sáng tăng như thế nào so với tạp âm và được định nghĩa là công suất tới tại nơi công suất

bị mất bởi SRS ở cuối đầu ra sợi dài L và được tính như sau:

g R P th 𝐿𝑒𝑓𝑓

Trong đó:

gR: là giá trị đỉnh của hệ số khuếch đại Raman

Aeff = 𝜋𝜔2 là diện tích hiệu dụng

Leff là chiều dài đại lượng tương tác hiệu dụng

𝛼: là suy hao sợi

Trong hệ thống truyền thông quang thực tế, sợi quang đủ dài để Leff ≈ 1/𝛼

 Công suất ngưỡng cho SRS: 16 16