Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật ofdm toàn quang (tt)

Khả năng truyền dữ liệu tốc độ siêu cao lên tới Tbps đang trở thành yêu cầu cấp thiết trong các hệ thống thông tin quang để đáp ứng những dịch vụ và ứng dụng mới nổi như truyền thông đa

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Đào Đức Quang Minh

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TOÀN QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn San

Phản biện 1: PGS.TS Lê Nhật Thăng

Phản biện 2: TS Dư Đình Viên

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 08 giờ 30 phút, ngày 14 tháng 07 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

PHẦN MỞ ĐẦU

Xã hội ngày nay phụ thuộc rất nhiều vào việc trao đổi thông tin nhanh và đáng tin cậy Khả năng truyền dữ liệu tốc độ siêu cao (lên tới Tbps) đang trở thành yêu cầu cấp thiết trong các hệ thống thông tin quang để đáp ứng những dịch vụ và ứng dụng mới nổi như truyền thông đa phương tiện, Internet của vạn vật (Internet of Things, IoT), điện toán đám mây…

Các hệ thống truyền thông quang đơn sóng mang cần tốc độ baud rất cao và/hoặc sử dụng các kỹ thuật điều chế mức cao như 512-QAM, 1024-QAM để đạt được tốc độ truyền hơn 1 Tbps [5] Cách khác là sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao quang (Optical – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, O-OFDM) với các nhóm sóng mang con tạo nên những

“siêu kênh” đem lại khả năng cải thiện dung lượng kênh truyền Tuy nhiên, các

kỹ thuật O-OFDM vẫn tồn tại một số nhược điểm như cần tới bộ xử lý tín hiệu

số (Digital Signal Processing, DSP) phức tạp và giới hạn tốc độ của các bộ chuyển đổi số - tương tự (Digital to Analog converter, DAC và Analog to Digital converter, ADC) Trong các hệ thống O-OFDM, việc xử lý IFFT và FFT đều được thực hiện trong miền điện dẫn tới tốc độ truyền tải bị giới hạn ở mức Gbps [7] Kỹ thuật OFDM toàn quang (All Optical – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AO-OFDM) khắc phục được những nhược điểm trên bằng cách thực hiện xử lý tín hiệu (IFFT và FFT) trong miền quang Các thử nghiệm cho thấy hệ thống AO-OFDM hiện đã đạt được tốc độ hơn 10 Tbps với hiệu quả sử dụng phổ đạt hơn 6 bit/s/Hz [15]

Xuất phát từ các kết quả nghiên cứu thực tế trên, cùng với những kiến thức đã được tích lũy tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn PGS.TS Vũ Văn San và thầy giáo giảng

dạy – TS Nguyễn Đức Nhân, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM toàn quang” để thực hiện

luận văn tốt nghiệp

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

Chương 1: Tổng quan về hệ thống và công nghệ thông tin sợi quang Chương 2: Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM

Chương 3: Mô hình hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN SỢI QUANG

Mở đầu

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang

1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang điển hình 1.1.3 Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang

1.1.3.1 Suy hao

1.1.3.2 Tán sắc

1.1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến

1.1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang

1.2 Xu hướng phát triển của truyền thông quang

1.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

1.3.1 Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

1.3.2 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM

Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ

THUẬT OFDM

Mở đầu

2.1 Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM

2.1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM

Hình 2.1 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang O-OFDM điển hình

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một hệ thống

O-OFDM điển hình

(Nguồn: [7]) 2.1.2 Hệ thống O-OFDM sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp

2.1.3 Hệ thống O-OFDM sử dụng kỹ thuật điều biến trường và tách sóng coherent

2.2 Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM toàn quang

2.2.1 Các mạch phát trong hệ thống AO-OFDM sử dụng mạch OIFT

Hiện nay, có nhiều loại mạch OIFT được đề xuất trong các hệ thống OFDM Một số mạch phát sử dụng mạch biến đổi Fourier rời rạc ngược quang (OIDFT), trong đó sử dụng các bộ dịch pha quang, các bộ trễ, các các bộ coupler để tạo tín hiệu OFDM quang Một số mạch OIDFT/ODFT khác sử dụng cách tử cách tử ống dẫn sóng AWG Trong khi đó, một số sơ đồ mạch phát AO-OFDM lại sử dụng mạch OIFT dựa trên các thấu kính thời gian (time lens) [7]

AO-2.2.1.1 Mạch OIFT/OFT sử dụng các bộ dịch quang, các bộ trễ và các coupler

Mạch OIDFT/OIFT được xây dựng dựa trên việc kết hợp các bộ coupler quang, các bộ trễ và dịch pha đã được đề xuất sử dụng trong [12] như Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống AO-OFDM

sử dụng mạch OIDFT/ODFT

(Nguồn: [12])

2.2.1.2 Mạch OIFT/OFT sử dụng cách tử ống dẫn sóng AWG

Hình 2.7 Mạch phát AO-OFDM sử dụng cách tử AWG để triển khai OIFT

(nguồn: [7])

2.2.1.3 Mạch OIFT/OFT sử dụng thấu kính thời gian

Hình 2.8 Chuyển đổi Fourier toàn quang sử dụng thấu kính thời gian

Hình 2.10 Mạch phát AO-OFDM sử dụng bộ OFCG

(Nguồn: [7])

2.2.2.1 Mạch OFCG sử dụng nguồn laser khóa mode

Hình 2.11 Mạch phát AO-OFDM sử dụng OFCG là các laser

khóa mode

(Nguồn: [7])

Hình 2.12 Phổ đầu ra của laser khóa mode

(Nguồn: [7])

2.2.2.2 Mạch OFCG sử dụng các bộ điều chế cường độ và điều chế pha

2.2.3 Các mạch thu trong hệ thống AO-OFDM

Tương tự với việc triển khai OIFFT, OFFT được triển khai bằng các bộ coupler quang, các bộ dịch pha, trễ thời gian và các cổng lấy mẫu quang hoặc

sử dụng cách tử ống dẫn sóng AWG như trình bày từ phần trên

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống AO-OFDM

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

3.1.1.2 Mạch thu

Hình 3.2 Mạch thu hệ thống AO-OFDM

3.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống

3.1.2.1 Mạch phát

Hình 3.3 Mạch phát của mô hình mô phỏng

Hình 3.4 Bộ điều chế quang DPSK

Hình 3.5 Phổ tín hiệu tại đầu ra mạch OFCG

Hình 3.6 Phổ tín hiệu tại đầu ra các bộ điều chế pha

Hình 3.9 Các sóng mang con tại đầu ra bộ lọc quang trong miền thời gian

3.1.2.2 Mạch thu

Hình 3.11 Mạch thu của mô hình mô phỏng

Hình 3.12 Bộ giải điều chế quang DPSK

3.2 Khảo sát, đánh giá mô hình hệ thống

3.2.1 Khảo sát hiệu năng BER theo công suất thu

Đối với các hệ thống thông tin quang số, tiêu chuẩn chung là BER phải nhỏ hơn 9

10 , tuy nhiên, với hệ thống sử dụng kỹ thuật sửa lỗi trước FEC, BER đạt mức 2

10 có thể chấp nhận được Hệ thống bắt đầu đạt được giá trị BER khoảng 2

10 khi công suất thu đạt khoảng -17.5 dBm tại mức suy hao tuyến truyền khoảng 17dB

3.2.2 Khảo sát hiệu năng BER theo khoảng cách truyền dẫn

Hình 3.15 Khảo sát giá trị BER theo số vòng lặp

Hệ thống khảo sát hai trường hợp truyền dẫn khác nhau: trường hợp sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF và sợi dịch tán sắc DSF

Khi tăng số vòng lặp, hiệu năng hệ thống giảm (tỷ lệ BER tăng) với cả hai trường hợp Nhiễu tích lũy làm suy giảm chất lượng tín hiệu khi số vòng lặp tăng do số bộ khuếch đại EDFA được sử dụng càng nhiều Khi giảm tán sắc sợi (trường hợp sử dụng sợi DSF), sự dịch pha của các sóng mang con dẫn đến dễ phối hợp pha giữa các kênh truyền khiến ảnh hưởng của hiệu ứng FWM tăng lên Do đó, tỷ lệ BER trong trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh hơn so với khi sử dụng sợi SMF

3.2.3 Khảo sát hiệu năng BER theo công suất phát

Hình 3.18 Khảo sát giá trị BER theo công suất phát

Đặt máy đo và tăng dần công suất tín hiệu trước khi đi vào sợi quang (công suất phát) sẽ thấy hiệu năng hệ thống tăng (tỷ lệ BER giảm) do lúc này ảnh hưởng của các thành phần nhiễu tuyến tính chiếm ưu thế, sau đó, hiệu năng

hệ thống giảm dần (tỷ lệ BER tăng) do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến chiếm ưu thế và tăng dần theo mức công suất phát

Do có 4 kênh truyền nên hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng chủ yếu của hai hiện tượng phi tuyến là XPM và FWM Khi sử dụng sợi dịch tác sắc DSF với hệ số tán sắc giảm, ảnh hưởng hiệu ứng XPM cũng bị giảm do sự chuyển đổi PM-IM giảm, thay vào đó ảnh hưởng của FWM sẽ được tăng cường Như đã phân tích

từ các phần trước, ảnh hưởng méo pha phi tuyến do FWM gây ra lớn hơn rất nhiều khi so với trường hợp SPM và XPM nên BER trong trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh hơn so với trường hợp sử dụng sợi SMF tương tự như phần phân tích theo khoảng cách tuyến truyền

Hình 3.19 Khảo sát giá trị BER theo khoảng cách kênh

Khi thu hẹp khoảng cách giữa các kênh (chỉ xét tổng quát trường hợp sử dụng sợi SMF và DCF) xuống 15 GHz, khả năng phối hợp pha giữa các kênh sẽ tốt hơn làm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM tăng lên dẫn đến hệ thống bị suy giảm hiệu năng nhanh chóng

3.2.4 Khảo sát hiệu năng BER theo độ dung sai tán sắc sợi truyền dẫn

Hình 3.21 Khảo sát BER theo dung sai tán sắc sợi truyền dẫn

Khi mức dung sai tán sắc truyền dẫn tăng, hiệu năng hệ thống giảm với cả hai trường hợp truyền dẫn Khi giảm hệ số tán sắc (sử dụng sợi DSF), sự dịch pha của các sóng mang con dẫn đến sự phối hợp pha giữa các kênh truyền dễ thỏa mãn khiến ảnh hưởng của hiệu ứng FWM được tăng cường Do đó, tỷ lệ BER trong trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh hơn so với khi sử dụng sợi SMF Dù đặt mức phát đủ thấp (0 dBm) nhưng vẫn có ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến quang nên hiệu năng hệ thống trường hợp sử dụng sợi DSF kém hơn trường hợp SMF

Kết luận chương 3

Luận văn đã xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống AO-OFDM quang sử dụng các thành phần chính bao gồm bộ tạo phổ răng lược OFCG ở mạch phát và cách tử ống dẫn sóng AWGN ở mạch thu Mạch phát AO-OFDM sử dụng OFCG có khả năng tạo ra một bộ các sóng mang con với pha và khoảng cách tần số không đổi, do đó được công nhận trong việc đơn giản hóa mạch phát, đặc biệt trong trường hợp cần số lượng lớn sóng mang con Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng Optisystem v7.0 để tính toán giá trị hiệu năng BER của hệ thống ở từng mô hình, luận văn đã làm rõ được ảnh hưởng của các hiệu ứng sợi quang và nhiễu phát xạ tự phát lên hiệu năng hệ thống, đồng thời chỉ ra được sự thay đổi của hiệu năng hệ thống thông qua việc thay đổi các tham số của mô hình khảo sát

Với khả năng nâng tốc độ truyền dẫn lên đến hàng Tbps, các hệ thống AO-OFDM hứa hẹn trở thành những hệ thống truyền dẫn quang chính trong tương lai Tuy nhiên, sự suy giảm chất lượng tín hiệu gây ra bởi các đặc tính và hiệu ứng sợi quang và bộ khuếch đại EDFA là mối quan tâm hàng đầu của các

hệ thống truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao nói chung và hệ thống OFDM nói riêng Trong đó, ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến sợi được xem là những hiệu ứng ảnh hưởng quan trọng nhất trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau Bên cạnh đó, chất lượng tín hiệu càng suy giảm do nhiễu tích lũy ASE gây ra bởi các bộ khuếch đại EDFA Từ các phân tích có được

AO-thông qua các kết quả mô phỏng có thể đưa ra các kết luận về hiệu năng hệ thống AO-OFDM dưới ảnh hưởng của các hiệu ứng chính bao gồm tán sắc, nhiễu phi tuyến và nhiễu ASE tạo tiền đề đưa ra các giải pháp để hạn chế tối đa các ảnh hương này

Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các hiệu ứng trên trong một số hệ thống AO-OFDM sử dụng mạch phát, thu quang khác nhau và đề xuất các giải pháp để cải thiện hiệu năng các hệ thống