Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

Để tăng chất lƣợng hệ thống thông tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng. Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại đƣợc tín hiệu điện bên phía phát dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD – Direct Detector) và kỹ thuật tách sóng hết hợp (CO – Coherrent Detector) [5] tr.264. Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cƣờng độ cơ bản là quá trình đếm số lƣợng hạt photon đến bộ thu. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang đƣợc tạo ra từ linh kiện quang. Các hệ thống nhƣ vậy có nhƣợc điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp. Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì công suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn. Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent (bao gồm tách sóng heterodyne và homodyne). Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trƣớc tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang đƣợc tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện. Nhƣ vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện. Bộ thu coherent lý tƣởng hoạt động trong vùng bƣớc sóng 1,3μm đến 1,6μm cần năng lƣợng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 10 -9 [4]. Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha [1]. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 47 Các dạng điều chế trong hệ thống thông tin quang coherent cũng giống nhƣ trong hệ thống vô tuyến. Chẳng hạn trong truyền dẫn số có thể áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK [1].

pdf98 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 3928 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
mô tả sơ đồ tín hiệu biến đổi tại mạch quyết định bit ở đầu thu. Trong đó tD là thời điểm lấy mẫu để quyết định bit. Giá trị này không cố định mà giao động xung quanh giá trị trung bình I0 đối với bit 0 và I1 đối với bit 1. Sau đó các giá trị này đƣợc so sánh với mức ngƣỡng ID để quyết định giá trị nhận đƣợc là bit „0‟ hay „1‟. Nếu I>ID thì quyết định bit „1‟ và nếu I<ID thì là mức „0‟. Lỗi xảy ra khi I<ID trong trƣờng hợp bit „1‟ và I>ID trong trƣờng hợp bit „0‟. Và giả sử trong hệ thống xác suất nhận bit „1‟ và bít „0‟ là bằng nhau, khi đó BER đƣợc tính nhƣ sau [4] tr.164: BER = p(1)P(0/1) + p(1)P(1/0) = ½[P(0/1) + P(1/0)] (3. 24) Trong đó: p(0), p(1) là xác suất nhận bit „0‟ và „1‟. P(0/1) là xác suất quyết định bit „0‟ khi nhận đƣợc bit „1‟. P(1/0) là xác suất quyết định bit „1‟ khi nhận đƣợc bit „0‟. Một cách tiếp cận gần đúng để ƣớc lƣợng BER là giả sử hàm mật độ xác suất của bit „1‟ và bit „0‟ tuân theo phân bố Gaussian nhƣ Hình 3.19. Phần gạch chéo chính là xác suất bit sai. Gọi I1, I0 lần lƣợt là dòng điện trung bình của bit „1‟ và bit „0‟. là phƣơng sai của hàm phân bố xác suất nhiễu tƣơng ứng với bit „1‟ và bit „0‟. Từ n mẫu thu đƣợc, ta tính đƣợc các giá trị I1, I0, từ công thức (3.25) và (3.26). Từ đó suy ra BER nhờ áp dụng (3.27) và (3.28) Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 45 √ ∑ ( ̅) (3. 25) ̅ (∑ ) (3. 26) . √ / (3. 27) Trong đó Q là hệ số chất lƣợng (quality factor) và (3. 28) Với erfc là hàm lỗi bù đƣợc định nghĩa [4]: ( ) √ ∫ ( ) (3. 29) Độ nhạy của bộ thu là ngƣỡng công suất trung bình tối thiểu tại đầu thu sao cho BER đạt 10-9 trở xuống. Chi tiết cụ thể đã đƣợc trình bày ở phần 3.2.2 bộ thu quang. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 46 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDM TRÊN KÊNH TRUYỀN SỢI QUANG Trong những năm gần đây, rất nhiều những mô hình sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM truyền trên kênh truyền quang đƣợc đƣa ra, mô phỏng và chứng minh bằng thực nghiệm. Mô hình hệ thống coherrent OFDM trên kênh truyền quang (CO-OFDM) hiện đƣợc coi là một mô hình đầy tiềm năng cho công nghệ 100Gb/s [5][20][21]. Chƣơng này đề tài trình bày mô hình hệ thống CO-OFDM. Mô tả tín hiệu OFDM trong miền điện, các bộ chuyển đổi điện sang quang và ngƣợc lại-quang sang điện tƣơng ứng. 4.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERRENT Để tăng chất lƣợng hệ thống thông tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng. Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại đƣợc tín hiệu điện bên phía phát dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD – Direct Detector) và kỹ thuật tách sóng hết hợp (CO – Coherrent Detector) [5] tr.264. Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cƣờng độ cơ bản là quá trình đếm số lƣợng hạt photon đến bộ thu. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang đƣợc tạo ra từ linh kiện quang. Các hệ thống nhƣ vậy có nhƣợc điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp. Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì công suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn. Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent (bao gồm tách sóng heterodyne và homodyne). Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trƣớc tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang đƣợc tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện. Nhƣ vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện. Bộ thu coherent lý tƣởng hoạt động trong vùng bƣớc sóng 1,3μm đến 1,6μm cần năng lƣợng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 10-9 [4]. Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha [1]. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 47 Các dạng điều chế trong hệ thống thông tin quang coherent cũng giống nhƣ trong hệ thống vô tuyến. Chẳng hạn trong truyền dẫn số có thể áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK [1]. 4.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF Cấu trúc các bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM đã đƣợc trình bày trong chƣơng 2. Ở đây, đề tài hệ thống lại những đặc điểm, tính chất chủ yếu. Hình 4.1 và Hình 4.2 tƣơng ứng là sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM [2]. Hình 4. 1 Mô hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát Hình 4.1 miêu tả bộ điều chế tín hiệu OFDM. Tại đây, đầu vào là dòng dữ liệu {dl} đƣợc chia thành dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N lần thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng dữ liệu {di,k} đƣợc ánh xạ thành tín hiệu phức {ci,k}, với k là chỉ số song mang con. Các tín hiệu phức này đƣợc đƣa vào ngõ vào của bộ IFFT. Ngõ ra bộ IFFT chính là tín hiệu OFDM trong miền thời gian, tín hiệu này sau đó đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp, chèn khoảng bảo vệ CP. Phần thực và phần ảo của tín hiệu phức đƣợc chuyển thành tín hiệu tƣơng tự thông qua bộ DAC, sau cùng mỗi phần thực và phần ảo đƣợc đƣa vào hai bộ điều chế quang MZM để chuyển thành tín hiệu quang. Hình 4.2 là bộ giải điều chế tín hiệu OFDM. Trong bộ giải điều chế tín hiệu OFDM, quá trình thực hiện ngƣợc lại so với phía điều chế tín hiệu OFDM. Các thành Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 48 phần I/Q sau khi đƣợc dò bởi photo-detector, sẽ đƣợc chuyển về dạng số nhờ các bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số ADC. Hai thành phần thực và ảo này đƣợc ghép lại thành một số phức duy nhất. Dòng tín hiệu sau đó đƣợc chuyển từ nối tiếp sang song song nhờ sử dụng bộ đệm (buffer). Tín hiệu đƣợc bỏ khoảng bảo vệ, đƣa vào ngõ vào bộ FFT. Tín hiệu sau bộ FFT là tín hiệu rời rạc ở miền tần số, đƣợc giải điều chế ở băng tần cơ sở và chuyển chuỗi bít nhận đƣợc về dạng nối tiếp nhờ bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Chuỗi bít nhận đƣợc ở dạng nối tiếp này chính là chuỗi bít ở phía phát (dữ liệu). Hình 4. 2 Mô hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu 4.3 BỘ PHÁT QUANG Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherrent đƣợc mô tả nhƣ Hình 4.3. Thành phần thực và ảo (I/Q) từ hai ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu OFDM đƣợc chuyển đổi từ miền điện sang miền quang nhờ hai bộ điều chế ngoài MZM nhƣ mô tả trên Hình 4.3. Sau đó, tín hiệu quang tại đầu ra của hai bộ MZM đƣợc điều chế cầu phƣơng (vuông góc) cộng lại và đƣa vào sợi quang để truyền đi. Quá trình đƣợc thực hiện nhƣ sau [5]: (1) Tín hiệu quang do một Lazer Diot LD1 sinh ra đƣợc đƣa đến hai bộ MZM (2) Tín hiệu quang trên mỗi MZM tƣơng ứng là eLI và eLQ đóng vai trò là sóng mang quang, các sóng mang này đƣợc điều chế pha để mang tín hiệu I/Q tƣơng ứng, Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 49 ngõ ra mỗi bộ MZM chính là tín hiệu quang đã đƣợc điều chế pha. (3) Một trong hai bộ MZM, tín hiệu sau đó đƣợc dịch 1 góc 900, cộng với tín hiệu của bộ MZM còn lại và phóng vào sợi quang. Hình 4. 3 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM 4.4 BỘ THU QUANG Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trƣớc hết sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Bộ chuyển đổi quang điện thực hiện chức năng này. Trong đề tài, ta sử dụng kỹ thuật tách sóng coherrent đối với bộ thu quang. Tức tín hiệu quang tới trƣớc hết đƣợc trộn với sóng quang phát ra từ bộ giao động nội, rồi sau đó tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này đƣợc chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector. Cấu trúc bộ thu quang coherrent đƣợc mô tả rõ hơn trong Hình 4.4 [5]. Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp đƣợc mô tả nhƣ sau [5]: (1) Một Lazer LD2 phát ra ánh sáng với tần số giao động nội. Tín hiệu do Lazer LD2 phát ra sau đó đƣợc chia làm hai nhánh, pha của một trong hai nhánh sẽ đƣợc lệch đi 900 (2) Tín hiệu quang nhận đƣợc cũng đƣợc chia làm hai nhánh. (3) Nhánh thứ nhất của tín hiệu quang nhận đƣợc sẽ trộn với sóng quang đã bị lệch 90 0 do LD2 phát ra, sau đó đƣợc dò bởi 2 photo-detector. Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ đƣợc tổng hợp lại và trả về thành phần I tƣơng ứng bên phát. (4) Nhánh thứ hai của tín hiệu quang nhận đƣợc sẽ trộn với sóng quang do LD2 phát Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 50 ra, sau đó cũng đƣợc dò bởi 2 photo-detector. Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ đƣợc tổng hợp lại và trả về thành phần Q tƣơng ứng bên phát. Hình 4. 4 Mô hình bộ thu quang kết hợp Hai thành phần I/Q lúc này là tín hiệu điện trong miền thời gian. Sẽ đƣợc xử lý hoàn toàn trong miền điện. 4.5 HỆ THỐNG COHERRENT OFDM (CO-OFDM) CO-OFDM là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM trƣớc khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền trên sợi quang. Mô hình hệ thống CO-OFDM gồm có 5 khối cơ bản nhƣ trong Hình 4.5 [5] tr.264. Khối đầu tiên là khối RF OFDM transmiter, có nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện. Khối thứ hai là khối RF-to-optical up- converter, là khối điều chế tín hiệu quang hay nói cách khác, đây chính là khối chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang với thành phần chính của khối này là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (MZM). Tiếp theo là kênh truyền sợi quang, có chức năng truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Khi tín hiệu truyền trên sợi quang, tín hiệu sẽ bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố sợi quang nhƣ tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến… Khối thứ tƣ là khối optical-to-RF down converter với nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang nhận đƣợc trở lại thành tín hiệu điện. Và cuối cùng là khối RF OFDM receiver, Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 51 nhằm giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tƣơng ứng với bên truyền. Hình 4. 5 Mô hình hệ thống CO-OFDM 4.5.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang Tín hiệu OFDM trƣớc khi đi vào bộ MZM [5] tr. 32: ( ) ∑ ∑ ( ) (4. 1) ( ) ( ) với (4. 2) ( ) { ( ) ( ) (4. 3) Trong đó, ck,i là symbol dữ liệu thứ i tại sóng mang con thứ k. sk là sóng mang con thứ k. lần lƣợt là thời gian 1 symbol OFDM, chiều dài khoảng thời gian bảo vệ và thời gian có ích của một symbol OFDM. fk là tần số sóng mang con thứ k, các sóng mang con này phải thỏa điều kiện trực giao tức [5] tr.33: (4. 4) Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 52 Tín hiệu quang tại ngõ ra của bộ chuyển đổi từ miền điện sang miền quang là tổng của tín hiệu tại ngõ ra của hai bộ MZM, đƣợc biểu diễn [5] tr.266: ( ) ( ( ) ) ( ) . ( ) / ( ) (4. 5) Trong đó, VI, VQ lần lƣợt là thành phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM. VDC là điện thế phân cực bộ MZM. lần lƣợt là tần số góc và pha của tín hiệu quang do Lazer LD1 phát ra. là điện thế phân cực nữa bƣớc sóng (half-wave switching voltage). Trong điều kiện phân cực tối ƣu tại điểm “null”, VDC = thì phƣơng trình (4.5) trở thành [5] tr.268: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (4. 6) Trong đó: s(t) = VI + jVD là tín hiệu liên tục OFDM ở băng tần cơ sở. M = là chỉ số điều chế. A là biên bộ sóng quang do Lazer LD1 phát ra. Phƣơng trình (4.6) cho ta thấy phổ tần của tín hiệu liên tục OFDM đƣợc đƣa lên một tần số trung tâm ( ) do Lazer phát ra. 4.5.2 Kỹ thuật tách sóng Coherrent Nhƣ đã đề cập, kỹ thuật tách sóng coherrent có hai loại chính đó là tách sóng heterodyne và tách sóng homodyne. Trong kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệu OFDM ở băng gốc trƣớc tiên đƣợc đƣa lên tần số trung tần fLO1 ở miền điện, sau đó tín hiệu OFDM trung tần đƣợc điều chế trên sóng mang quang nhờ một bộ MZM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM trƣớc tiên đƣợc chuyển về tín hiệu điện OFDM ở trung tần fLO2. Sau đó việc tách ra các đƣờng I/Q đƣợc thực hiện ở miền điện. Trong kỹ thuật tách Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 53 sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện-quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt đƣợc sử dụng để điều chế hai phần I/Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM đƣợc tách làm hai phần I/Q ngay trong miền quang nhờ sử dụng hai bộ thu cân bằng (balanced receiver) và một bộ ghép lai 900 (90 degree – hybrid). Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu OFDM ở băng gốc để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Đề tài đi vào phân tích, mô phỏng kỹ thuật coherrent homodyne [1] [5] tr.270. Hình 4.6 mô tả nguyên tắc tách sóng coherrent kiểu homodyne. Ta thấy, tách sóng coherrent đƣợc thực hiện nhờ bộ ghép lai quang 900 (90 degree optical hybrid) có 6 cổng (port) và 4 photo-detector đƣợc ghép thành hai bộ tách sóng cân bằng (balanced photo-detector). Mục đích tách sóng coherrent là (1) khôi phục thành phần I/Q từ sóng quang tới và (2) tối thiểu hoặc loại bỏ nhiễu mode chung (common mode noise) [5] tr.270. Bộ ghép lai quang bao gồm 2 ngõ vào và 4 ngõ ra. Hai ngõ vào là tín hiệu quang tới ES và tín hiệu quang do bộ giao động nội tạo ra ELO. 4 ngõ ra sẽ tạo sự lệch pha 90 0 cho hai thành phần I/Q và 1800 cho tách sóng sóng cân bằng. Tín hiệu ra tại 4 ngõ E1-4 có thể đƣợc biểu diễn [5] tr.270: √ , - (4. 7) √ , - (4. 8) √ , - (4. 9) √ , - (4. 10) Thành phần I đƣợc tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ nhất (PD1 và PD2). Dòng điện tƣơng ứng của thành phần I [5] tr.271: ( ) * + (4. 11) Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 54 Hình 4. 6 Tách sóng Cohereent Homodyne Thành phần Q đƣợc tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ hai (PD3 và PD4). Dòng điện tƣơng ứng của thành phần Q [5] tr.271: ( ) * + (4. 12) Vậy dòng điện tổng cộng bao gồm thành phần I/Q tại ngõ ra [5] tr.271: ̃( ) ( ) ( ) * + (4. 13) 4.6 TỈ SỐ BIT LỖI BER TRONG HỆ THỐNG CO-OFDM Giả sử ta có hệ thống CO-OFDM lý tƣởng, sử dụng phép điều chế QPSK, tỉ số bit lỗi BER đƣợc tính [5] tr.272: (√ ) (4. 14) (4. 15) Với là tỉ số tín hiệu trên nhiễu. , lần lƣợt là phƣơng sai tƣơng ứng của tín hiệu thu đƣợc và phƣơng sai của nhiễu. Giả sử Lazer ở đầu phát và đầu thu có độ rộng phổ vô cùng bé (xấp xĩ 0). Do hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp, nên nhiễu chủ yếu gây ra là nhiễu đập phát xạ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 55 tự phát ASE do bộ khuếch đại quang EDFA gây ra. BER, hệ số chất lƣợng Q, tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio), và của hệ thống CO- OFDM dùng phép điều chế QPSK trong điều kiện lý tƣởng cho bởi [5] tr.272: (4. 16) (√ ) (4. 17) . / (4. 18) Trong đó: là băng thông nhiễu ASE, R = N. là tổng tốc độ truyền của hệ thống (băng thông tín hiệu OFDM). Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 56 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Trong chƣơng này, với công cụ Matlab Simulink 7.0, đề tài đi vào xây dựng mô phỏng hệ thống CO-OFDM, phân tích đánh giá chất lƣợng của hệ thống khi đƣa kỹ thuật ghép kênh OFDM vào kênh truyền quang. Bên cạnh đó, đề tài còn xây dựng hệ thống đơn sóng mang truyền trên kênh truyền quang với cùng tốc độ với hệ thống CO-OFDM để có sự so sánh chất lƣợng của hệ thống khi áp dụng hai kỹ thuật này. Đề tài còn thực hiện các cải tiến nhƣ là thay đổi số sóng mang có ích, giảm số pilot sử dụng nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ của hệ thống. Xuyên suốt mô phỏng, đề tài sử dụng công cụ giản đồ mắt (eye diagram) để đánh giá chất lƣợng hệ thống, đƣa ra cách ƣớc lƣợng BER một cách khá chính xác từ eye diagram. Thông thƣờng, trong hệ thống thông tin quang, tỉ số bit lỗi BER phải đạt 10-9 trở xuống mới đạt yêu cầu, việc mô phỏng một khối lƣợng bit truyền khổng lồ (hàng tỉ đến hàng ngàn tỉ bit) là điều không thể và rất mất thời gian do đó cách ƣớc lƣợng BER theo nguyên tắc xác suất từ eye diagram là cần thiết. 5.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM VÀ CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG Mô hình tổng quát hệ thống CO-OFDM, cũng nhƣ các hệ thống truyền thông cổ điển khác, bao gồm ba khối cơ bản: (1) bộ phát, (2) kênh truyền và (3) bộ thu đƣợc mô hình hóa nhƣ Hình 5.1. Bộ phát Transmitter_IQ Modulator nhằm tạo ra tín hiệu OFDM trong miền điện và chuyển tín hiệu OFDM trong miền điện thành tín hiệu OFDM trong miền quang để đƣa vào sợi quang. Kênh truyền quang Fiber_Propagation truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Khoảng cách truyền dẫn đƣợc mô phỏng trong đề tài là 80x2 km (80 km sợi SMF và 80 km sợi DCF) với suy hao 0.2 dB/km. Và khối cuối cùng là bộ nhận Receiver_coherrent RX nhằm chuyển tín hiệu OFDM ở miền quang trở về lại tín hiệu OFDM ở miền điện nhờ các photo-detector. Sau đó đƣợc giải điều chế OFDM trả lại dữ liệu ban đầu. Ta sẽ đi vào phân tích và thiết kế chi tiết các khối này. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 57 Hình 5. 1 Mô hình hệ thống CO – OFDM 5.1.1 Bộ phát Nhƣ ta đã khảo sát ở phần lý thuyết, bộ phát có nhiệm vụ điều chế tín hiệu trong miền điện sử dụng kỹ thuật OFDM, chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang để đƣa vào sợi quang, mô hình mô phỏng bộ phát đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.2. Hình 5. 2 Bộ phát quang Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 58 Nhìn vào mô hình ta thấy có hai khối cơ bản: khối thứ nhất là khối ODFM, khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu OFDM trong miền RF. Khối thứ hai là các bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder để điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang tƣơng ứng với hai đƣờng I – Q, sau đó một trong hai đƣờng I hoặc Q đƣợc dịch pha 900, cộng lại và phóng vào sợi quang.  Tín hiệu OFDM trong miền điện. Phƣơng pháp điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện để đƣa vào kênh truyền quang thực tế không khác gì so với điều chế OFDM đã biết trong các hệ thống vô tuyến. Nhƣng so với các hệ thống vô tuyến thì rõ ràng tốc độ ra của tín hiệu OFDM cao hơn gấp hàng trăm lần. Hình 5.3 ta xây dựng mô hình điều chế tín hiệu OFDM. Hình 5. 3 Điều chế tín hiệu OFDM Các tham số thiết kế: khối data source thiết lập thời gian lấy mẫu là 4.1667e-011 (s) tức fs = 24 Ghz, bộ điều chế số ánh xạ chòm sao (IQ mapper) sử dụng phép điều chế QAM. Ánh xạ chòm sao là phƣơng pháp chuyển chuỗi dữ liệu có m bit thành một điểm a + jb. Trong đó, số bit m phụ thuộc vào phép ánh xạ. Trong hệ thống OFDM, ánh xạ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 59 chòm sao chỉ là việc chuyển chuỗi bit để cho phép truyền nhanh hơn. Nhƣ vậy tốc độ hệ thống đạt đƣợc là 24x2 = 48 Gb/s. Hình 5. 4 Tốc độ lấy mẫu thiết lập 24 GHz [Matlab Simulink] Hình 5. 5 Tốc độ hệ thống là 48 Gb/s sử dụng phép điều chế QAM Bộ điều chế tín hiệu OFDM đƣợc thiết kế nhƣ Hình 5.6 trong đó số điểm lấy IFFT là 256. Một symbol OFDM xây dựng theo chuẩn 802.16 đƣợc mô tả bao gồm: {28 số zero,100 data, 1 số zero (DC), 100 data, 27 số zero}. Trong đó 8 data là pilot (là dữ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 60 liệu đã đƣợc biết trƣớc, chèn vào giúp đầu thu thực hiện các thuật toán cân bằng kênh truyền) đƣợc chèn vào ở các vị trí c-88, c-63, c-38, c-13, c13, c38, c63 và c88. Hình 5. 6 Sử dụng IFFT để tạo tín hiệu OFDM [Matlab Simulink] Nhƣ vậy, tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT bao gồm nhiều Symbol, mỗi Symbol bao gồm 256 mẫu rời rạc. Trong đó có 192 data, 8 pilot và 56 zero đƣợc chèn hai biên mỗi Symbol. Hình 5.7 là cấu trúc tín hiệu trƣớc khi vào bộ IFFT. Chiều dài khoảng bảo vệ bằng ¼ chiều dài symbol OFDM sau bộ IFFT tức là ta copy 64 mẫu cuối cùng của Symbol OFDM sau bộ IFFT làm tiền tố vòng CP. Nhƣ vậy, tín hiệu tại ngõ ra out ở Hình 5.8 là tín hiệu gồm 320 giá trị rời rạc trong miền thời gian (sau khi đã thêm khoảng CP). Tín hiệu rời rạc sau đó đƣợc biến đổi thành tín hiệu liên tục để đƣa vào bộ điều chế MZM (Hình 5.9). Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 61 Hình 5. 7 Phần thực và phần ảo của tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT Hình 5. 8 Biểu diễn tín hiệu thực và ảo OFDM rời rạc trong miền thời gian Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 62 Hình 5. 9 Phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM  Bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM Tín hiệu OFDM trong miền RF sau đó đƣợc đƣa vào bộ điều chế quang một cách tuần tự để chuyển thành tín hiệu quang và truyền đi trong sợi quang. Mỗi phần I/Q của tín hiệu OFDM đƣợc điều chế quang bởi bộ điều chế ngoài MZM. Bộ điều chế ngoài MZM hoạt động ở chế độ phân cực đôi sẽ làm nhiệm vụ điều chế tín hiệu điện OFDM thành tín hiệu quang. Cấu trúc bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.10. Nhƣ đã đề cập ở phần lý thuyết, bộ MZM bao gồm hai nhánh, cấu trúc mỗi nhánh đƣợc mô phỏng nhƣ Hình 5.11. Tín hiệu sóng mang quang đƣợc phát liên tục (CW), tín hiệu tại ngõ ra mỗi nhánh chính là sóng mang quang đã bị dịch pha bởi hai bộ dịch pha (phase shift block), Hình 5.12 là cấu trúc bộ dịch pha. Bộ Mach-Zehnder đƣợc phân cực hoạt động theo chế độ pull-push (kéo-đẩy) nhằm giảm thiểu hiện tƣợng Chirp gây ra [13] tr.10, Vbias nhánh trên và Vbias nhánh dƣới phải bằng nhau về độ lớn nhƣng trái dấu nhau, và Vdata của nhánh trên cũng bằng Vdata Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 63 của nhánh dƣới nhƣng trái dấu nhau (hay nói cách khác là lệnh nhau 1800). Theo phần lý thuyết thì ngõ ra của bộ MZM chính là tổng tín hiệu ở hai nhánh đƣợc dịch pha theo tín hiệu ngõ vào. Hình 5. 10 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM Hình 5. 11 Bộ điều chế pha – phase modulator Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 64 Hình 5. 12 Bộ dịch pha – phase shift block Vậy ta có [5] tr.63: ( ) 0 . ( )/ . ( )/1 (5. 1) Với Vup (t) = Vdata (t) - Vbias là điện thế phân cực tổng cộng nhánh phía trên Vdown (t) = - Vdata(t) + Vbias là điện thế phân cực tổng cộng nhánh phía trên. Nếu Vbias = ( OOK hoặc BPSK), khi đó ngõ ra [5] tr.63: ( ) ( ) . ( ) / (5. 2) Tín hiệu ngõ ra chính là hàm truyền của bộ MZM nhân với tín hiệu ngõ vào. 5.1.2 Mô phỏng kênh truyền sợi quang  Các tham số kênh truyền Kênh truyền sợi quang bao gồm nhiều chặng (span) đƣợc ghép nối với nhau, mỗi một chặng bao gồm sợi quang đơn mode chuẩn SFM có chiều dài là 80 km, bộ suy hao Attenuation mô tả các sự mất mát do các mối nối tạo ra, sợi bù tán sắc DCF có chiều dài là 80 km nhằm bù tán sắc do sợi SFM gây ra, bộ khuếch đại quang sợi EDFA để bù suy hao do sợi quang gây ra (suy hao tín hiệu = 0.2x80x2 = 16x2 dB đƣợc bù hoàn toàn với 2 bộ EDFA với độ lợi G = 16 dB). Thông thƣờng sợi DCF không đƣợc rải ra mà cuộn thành một bó, tín hiệu truyền trên sợi SFM dài khoảng 80 km đến trạm lặp và đƣợc ghép nối với sợi DCF, sau đó lại đƣợc ghép nối với sợi SFM để truyền tiếp. Mô hình xây Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 65 dựng để mô phỏng kênh truyền quang nhƣ Hình 5.13. Hình 5. 13 Mô hình kênh truyền quang Nhƣ vậy một chặng dài 160 km, việc tìm đƣợc dạng sóng tín hiệu quang sau khi lan truyền từ ngõ vào cho đến ngõ ra của sợi quang là một việc quan trọng để xác định đƣợc khoảng cách cần thiết lắp đặt các trạm lặp, các bộ khuếch đại… Tuy nhiên, làm đƣợc điều đó thật không dễ dàng, bởi tín hiệu lan truyền trên sợi quang ngoài bị ảnh hƣởng bởi các hiệu ứng tuyến tính còn bị tác động mạnh bởi các hiệu ứng phi tuyến khác nhƣ đã trình bày ở chƣơng 3. Hệ số nhiễu NF của bộ EDFA là 3 dB, với cấu trúc tán sắc đƣợc bù hoàn toàn trong mỗi chặng 160 km: DSMFLSMF + DDCFLDCF = 17 ( ps/nm.km)x80 (km)+(-17(ps/nm.km)x80(km)=0. Tuy nhiên, trong mô phỏng, ta sẽ cố tình làm cho chiều dài của sợi DCF ngắn lại, mục đích là để tạo ra độ chênh lệch tán sắc khi khảo sát hệ thống.  Mô hình hóa kênh truyền bằng giải thuật S-SSF Phƣơng trình sóng ánh sáng lan truyền trong sợi quang có đƣờng bao tuân theo phƣơng trình Schrödinger phi tuyến (phƣơng trình NLSE) nhƣ sau [11]: | | (5. 3) Trong đó kí hiệu A = A(z,t) là hình bao của tín hiệu quang phức truyền dọc sợi quang Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 66 theo trục z, là suy hao sợi quang. là độ chênh lệch trể nhóm (Differential Group Delay - DGD) đƣợc bỏ qua đối với sợi đơn mode SMF. là thừa số tán sắc bậc hai, bậc ba của tán sắc vận tốc nhóm (GVD). Và là hệ số phi tuyến của sợi quang. Từ phƣơng trình sóng (5.3) ta thấy khi truyền trong sợi quang, tín hiệu quang sẽ bị ảnh hƣởng bởi: (1) suy hao ( ), (2) tán sắc màu ( ), (3) tán sắc bậc cao (bậc 3- ) và (4) tự điều pha SPM ( ). Ta tạm bỏ qua các hiệu ứng phi tuyến khác nhƣ XPM, FMW… Việc giải phƣơng trình vi phân bậc hai (5.3) để tìm đƣợc dạng sóng đầu ra là điều quan trọng nhƣng không hề đơn giản. Trên thế giới đã có nhiều phƣơng pháp để giải phƣơng trình này song tất cả đều chấp nhận một độ sai số nhất định [9]. Cách tiếp cận phổ biến mà đề tài tham khảo cũng nhƣ sử dụng để mô hình hóa sợi quang là sử dụng phép biến đổi Fourier chia bƣớc (split-step Fourier method) để tìm tín hiệu quang tại ngõ ra theo phƣơng pháp số. Ý tƣởng của phƣơng pháp này là chia sợi quang thành nhiều đoạn có chiều dài nhỏ dz trong khoảng 100 m đến 500 m, trên những đoạn nhỏ đó, giả sử rằng hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến tác động độc lập với nhau. Phƣơng trình (5.3) có thể đƣợc viết lại: ( ̂ ̂) (5. 4) Trong đó ̂ là toán tử tuyến tính (5. 5) ̂ | | là toán tử phi tuyến. (5. 6) , với là vận tốc nhóm. Hai xấp xỉ đƣợc dùng phổ biến đó là chia bƣớc bất đối xứng (asymmetric split step Fourier– A-SSF) và chia bƣớc đối xứng (symmetric split step Fourier – S- SSF), phƣơng pháp S- SSF có độ chính xác cao hơn A- SSF cho nên ngƣời ta hay sử dụng phƣơng pháp này hơn. Hình 5.14 [18] [19] mô tả phƣơng pháp S- SSF. Ý tƣởng của phƣơng pháp S- SSF là chia đoạn nhỏ dz thành 3 phần: hai phần tuyến tính ở hai bên và phần phi tuyến ở chính giữa. Đối với phần tuyến tính thứ nhất, S- SSF xem xét tác động của tuyến tính trong miền tần số, sau đó chuyển kết quả về miền thời gian, toán tử phi Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 67 tuyến sẽ tác động vào xung quang này trong miền thời gian, sau cùng ở phần tuyến tính thứ hai thì xung quang lại bị toán tử tuyến tính tác động trong miền tần số. Sau khi tìm đƣợc tín hiệu quang ngõ ra của chặng thứ nhất, tín hiệu đó chính là tín hiệu quang ngõ vào thứ hai, áp dụng thuật toán S- SSF để tìm tín hiệu quang tại đầu ra đoạn thứ hai…quá trình cứ thế cho đến đoạn cuối cùng. Toàn bộ quá trình tính toán đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 5.14 [18] [19]. Đƣờng bao xung đầu ra tại cuối sợi quang có thể tính theo công thức [11]: ( ) . ̂/ .∫ ̂( ) / . ̂/ (5. 7) Với ∫ ̂( ) [ ̂( ) ̂( )] . ̂/ đƣợc tính nhờ sử dụng thuật toán FFT. Trong mô phỏng đề tài, phƣơng pháp S- SSF đƣợc sử dụng. Mô hình sợi quang đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.15 trong đó thuật toán S- SSF đƣợc thực hiện nhờ file nhúng trong khối MATLAB Function. Các tham số mô phỏng kênh truyền sợi quang:  dz = 0.1 km, SMFLength = 80 km, DCFlength = 80 km  DSMF = 17 ps/nm.km; DDCF = -17 ps/nm.km  Pthreshold = 10 mW  dB/km  nNL = 2.6e-20 m 2 /W  Aeff = 76 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 68 Hình 5. 14 Mô tả phƣơng pháp S-SSF Hình 5. 15 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink  Mô hình hóa bộ khuếch đại quang sợi EDFA Tín hiệu quang bị suy hao sau đó sẽ đƣợc khuếch đại nhờ bộ khuếch đại EDFA. Nhiễu ASE sinh ra có thể xem có dạng giống nhiễu Gaussian: Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 69 ( ) (5. 8) Trong đó: G là độ lợi khuếch đại, m là số mode phân cực (1 hoặc 2), nsp là hệ số phát xạ tự phát. là băng thông quang. Hệ số nhiễu (NF) nhƣ trong chƣơng 3 đã đề cập: ( ) (5. 9) Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang kèm theo việc nhiễu sinh ra trong quá trình khuếch đại, gây ra tác động nghiêm trọng đến chất lƣợng hệ thống. Do đó việc tính toán nhằm tối thiểu nhiễu ASE, sử dụng tối thiểu các bộ EDFA là quan trọng và cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Bộ khuếch đại EDFA đƣợc mô hình hóa sử dụng Simulink nhƣ Hình 5.16. Trong đó các tham số cần nhập vào là độ lợi (G) và hệ số NF. Hình 5. 16 Mô hình bộ khuếch đại EDFA Tín hiệu sau khi truyền từ đầu này tới đầu kia của sợi quang sẽ bị méo do các hiệu ứng truyền dẫn sợi quang gây nên. Hình 5.17 Cho ta thấy ảnh hƣởng của kênh truyền quang lên tín hiệu truyền trên nó. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 70 Hình 5. 17 Tín hiệu tại ngõ vào và ra tƣơng ứng trên sợi quang 5.1.3 Bộ thu quang coherrent Bộ thu quang coherrent bao gồm hai thành phần cơ bản: (1) bộ tách sóng quang kết hợp (coherent optical detector) và (2) bộ xử lý tín hiệu OFDM ở miền điện, thực hiện giải điều chế tín hiệu OFDM. Hình 5.18 mô tả cấu trúc bộ thu quang đƣợc xây dựng trong mô phỏng. Nhìn vào mô hình bộ thu, ta dễ dàng nhận ra khối chuyển đổi quang-điện (coherent Receiver), nhiệm vụ khối này là tách tín hiệu quang thu đƣợc thành hai phần tƣơng ứng I – Q, sau đó chuyển đổi hai thành phần này thành tín hiệu điện. Khối OFDM Rx có chức năng giải điều chế tín hiệu OFDM. Khối Error calculator sử dụng phƣơng pháp đếm Mon-to-cac-lo để tính BER, thực tế số liệu BER tính ra ở khối này chỉ mang tính chất tham khảo vì nhƣ đã đề cập, hệ thống có BER < 10-9 thì việc đánh giá BER dựa vào phƣơng pháp đếm là không khả thi. Ngƣời ta đánh giá các hệ thống có BER thấp nhƣ vậy chủ yếu dựa trên nguyên tắc xác suất thống kê, cụ thể trong đề tài dùng eye diagram để ƣớc lƣợng BER. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 71 Hình 5. 18 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX  Bộ chuyển đổi quang-điện Mô hình bộ chuyển đổi quang-điện Optical Coherent Receiver đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.19. Trong đó, bộ giao động nội LO đóng vai trò tạo ra tần số giao động nội bằng với tần số Lazer bên phát. Phƣơng pháp tách sóng kết hợp nhƣ thế này trong thực tế khó thực hiện đối với các hệ thống tốc độ cao (trên 10 Gb/s) bởi việc điều chỉnh tần số Lazer giao động nội một cách chính xác là điều không dễ dàng. Tuy nhiên, đây là phƣơng pháp tách sóng có nhiều ƣu diểm so với tách sóng trực tiếp nhƣ đã đề cập trong phần lý thuyết, đặc biệt là độ nhạy cao hơn rất nhiều so với phƣơng pháp tách sóng trực tiếp. Tín hiệu quang đi tới đầu thu đƣợc tách làm hai thành phần I, Q nhờ dịch pha 1 góc 90 0 nhƣ trên hình. Sau đó, từng nhánh của tín hiệu thu đƣợc bao gồm nhánh thứ nhất là tín hiệu quang tới và nhánh thứ hai là tín hiệu quang tới nhƣng đã bị lệnh pha 900 đƣợc đƣa vào bộ nhận cân bằng (Balanced Receiver). Cấu trúc của bộ nhận cân bằng bao gồm 2 photo-detector đƣợc xây dựng nhƣ Hình 20. Việc tách sóng cân bằng sử dụng 2 photo-detector sẽ làm tăng độ lợi 3 dB so với tách sóng chỉ dùng 1 photo-detector [1]. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 72 Hình 5. 19 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver Hình 5. 20 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver  Mô hình giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF Sau khi đã tách ra đƣợc hai thành phần I/Q ở miền điện từ sóng mang quang tới nhờ các photo-diode, tín hiệu phức nhận đƣợc sẽ đƣợc chuyển về dạng số tƣơng ứng nhờ bộ lọc cosine ở phía thu. Sau đó, tín hiệu số đƣợc chuyển đổi từ nối tiếp sang song song nhờ bộ buffer và mỗi symbol đƣợc buffer sẽ bao gồm 320 mẫu rời rạc. Từng symbol Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 73 nhƣ vậy sẽ đƣợc đƣa vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ở miền điện. Hình 5.21 mô tả bộ xử lý tín hiệu OFDM bao gồm bộ đệm buffer, bộ giải điều chế tín hiệu OFDM, bộ giải điều chế ánh xạ chòm sao. Hình 5. 21 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx Tín hiệu sau khi qua bộ buffer sẽ đƣợc giải điều chế OFDM. Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM đƣợc mô phỏng nhƣ Hình 5.22. Từng symbol 320 mẫu rời rạc sẽ đƣợc loại bỏ khoảng bảo vệ nhờ bộ remove cyclic prefix (RCP), symbol sau khi qua bộ RCP sẽ còn 256 mẫu và đƣợc đƣa vào bộ biến đổi FFT. Ngõ ra bộ FFT chính là 256 điểm rời rạc trong miền tần số. Thực hiện thuật toán cân bằng kênh để tím đáp ứng kênh truyền. Trong mô phỏng một thuật toán nội suy bậc một đơn giản đƣợc sử dụng nhằm tìm ra đáp ứng của kênh truyền nhờ các kí tự pilot. Tín hiệu tại ngõ ra của bộ giải điều chế OFDM là từng symbol 192 điểm tƣơng ứng với các vị trí trong giản đồ chòm sao. Cuối cùng, các giá trị này đƣợc giải điều chế ánh xạ chòm sao nhờ bộ IQ demapper, trả về dữ liệu tƣơng ứng với bên phát. Hình 5.24 là chòm sao của bên phát và bên thu tƣơng ứng. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 74 Hình 5. 22 Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM Hình 5. 23 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 75 Hình 5. 24 Giản đồ chòm sao tƣơng ứng với phía phát và phía thu 5.1.4 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng BER từ eye diagram Nhƣ đã đề cập, việc ƣớc lƣợng BER theo nguyên tắc xác suất là cần thiết đối với các hệ thống có BER từ 10-9 trở xuống. Ta có thể ƣớc lƣợng BER bằng cả định tính lẫn định lƣợng từ giản đồ mắt (eye diagram). Sau đây đề tài đi vào phân tích cả hai phƣơng pháp để có sự so sánh giữa hai phƣơng pháp này.  Định tính Việc tính toán BER dựa vào nguyên tắc xác suất mang lại tính chính xác cao, tuy nhiên đòi hỏi một khối lƣợng tính toán phức tạp và tƣơng đối lớn. Trong thực tế, đối với các hệ thống có đáp ứng BER < 10-9 thì việc tính toán ra một con số BER cụ thể không thật sự quá quan trọng, do đó ngƣời ta có thể tính hệ số Q từ giản đồ mắt với vài phép tính đơn giản để ƣớc lƣợng BER tƣơng ứng nhờ công thức (5.10). Từ giản đồ mắt nhƣ ở Hình 5.26, ta có thể tính hệ số chất lƣợng Q một cách gần đúng nhƣ sau: (5. 10) Trong đó là độ “ mở mắt”. ̅̅ ̅ và ̅̅ ̅ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 76 Hình 5. 25 Ƣớc lƣợng BER từ giản đồ mắt  Định lƣợng Nhắc lại công thức (3.27) và (3.28): . √ / Với là hệ số chất lƣợng. Trong đó: lần lƣợt là trị trung bình và phƣơng sai của bit „1‟ và bit „0‟ tƣơng ứng. Hình 5.25 mô tả mối quan hệ giữa hệ số chất lƣợng Q với BER. Đối với các hệ thống truyền thông quang, BER thấp nhất đạt 10-9 tƣơng ứng Q=6, gần đúng thì khi Q tăng lên 1 thì BER sẽ giảm thêm 10-3. Hình 5. 26 Mối quan hệ giữa BER và Q Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 77 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.2.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s Đây chính là hệ thống chính mà đề tài mô phỏng. Mô hình của cả hệ thống đƣợc tổng quát hóa và đƣợc xây dựng nhƣ đã trình bày trong phần 5.1 Các tham số thiết kế:  Bộ phát: tốc độ dữ liệu 24 Gb/s, sử dụng phép điều chế QAM ở bộ ánh xạ chòm sao => tốc độ hệ thống là 48 Gb/s.  Bộ tạo tín hiệu OFDM: số sóng mang con 256 (số điểm lấy FFT) bao gồm 192 dữ liệu có ích, 8 pilot, 57 „zero‟ ở hai đầu và 1 „zero‟ ở giữa. Chiều dài khoảng CP = 1/4 chiều dài symbol OFDM sau bộ FFT tức là (256)/4 = 64. Vậy chiều dài tổng cộng một Symbol OFDM là 320 điểm rời rạc.  Kênh truyền quang: Tất cả các mô hình trong đề tài đều sử dụng kênh truyền quang đƣợc mô hình hóa dựa trên các tính chất của sợi đơn mode chuẩn SMF. Các tham số đã đƣợc liệt kê trong phần 5.2.3 Hình 5.27 và Hình 5.28 là giản đồ chòm sao và giản đồ mắt tại đầu thu. Hình 5. 27 Giản đồ chòm sao tại bộ thu Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 78 Hình 5. 28 Giản đồ mắt tại bộ thu Theo các phƣơng pháp tính BER từ (3.27) và (3.28), ta tính ra BER tƣơng ứng khoảng 2.15e-93. Ta nhận xét rằng mặc dầu chƣa sử dụng các thuật toán sửa lỗi, các thuật toán cân bằng kênh truyền phức tạp (nội suy bậc cao, thuật toán LSM…) nhƣng tỉ số bit lỗi BER là rất thấp đối với hệ thống CO - OFDM. BER sẽ còn đạt thấp hơn nữa nếu nhƣ các kỹ thuật cân bằng tiên tiến cũng nhƣ có kèm thêm các kỹ thuật sửa lỗi. 5.2.2 Hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s Mục đích của việc xây dựng hệ thống đơn sóng mang với tốc độ dữ liệu bằng chính tốc độ dữ liệu của hệ thống OFDM truyền trên cùng một sợi quang nhằm cho ta cái nhìn định tính về sự so sánh giữa hai hệ thống đơn sóng mang và đa sóng mang trực giao. Các tham số thiết kế của hệ thống đơn sóng mang về cơ bản là giống các tham số Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 79 đã thiết kế trong hệ thống CO – OFDM. Tất nhiên so với hệ thống CO – OFDM thì hệ thống đơn sóng mang không còn các khối điều chế tín hiệu OFDM. Dữ liệu sau khi đƣợc ánh xạ chòm sao sẽ đƣợc chuyển sang tín hiệu tƣơng tự và sau đó điều chế sang tín hiệu ở miền quang để truyền đi. Hình 5.29 là kết quả cho ta thấy sự so sánh về chất lƣợng giữa hệ thống CO-OFDM và hệ thống dùng kỹ thuật đơn sóng mang thay đổi theo độ lệch chiều dài của sợi DCF với sợi SMF. Mục đích ta giảm dần chiều dài sợi DCF là để tăng độ tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Ta thấy, khi độ lệch này dƣới 7 km thì chất lƣợng của cả hai hệ thống đều chấp nhận đƣợc (CO-OFDM khoảng 9.39E-37, hệ thống đơn sóng mang khoảng 6.23E-09). Nhƣng khi độ lệch này lớn hơn 7 km thì chất lƣợng hệ thống đơn sóng mang đã không còn duy trì. Cụ thể, khi độ lệch giữa DCF và SMF là 8 km thì BER hệ thống đơn sóng mang là 2.77E-07 trong khi hệ thống CO-OFDM vẫn đạt mức 1.66E-09 khi độ lệch chiều dài là 19 km. Qua đó ta thấy, CO-OFDM có khả năng chống lại tán sắc tốt hơn so với kỹ thuật đơn sóng mang. Hình 5. 29 Sự phụ thuộc BER của hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 80 Nhận xét: khi truyền cùng một tốc độ bit nhƣ nhau giữa hai hệ thống đơn sóng mang so sánh với đa sóng mang trực giao trên cùng một sợi quang thì ta thấy ảnh hƣởng của sợi quang lên hệ thống đơn sóng mang là đáng kể. Hệ thống CO-OFDM do có sử dụng kỹ thuật OFDM nên thời gian mỗi kí tự sẽ đƣợc kéo dài hơn 256 lần so với hệ thống đơn sóng mang. Do đó, ảnh hƣởng bởi tán sắc do sợi quang gây ra đƣợc giảm tối thiểu. Đối với hệ thống hoạt động với tốc độ cao (khoảng > 40 Gb/s) thì kỹ thuật OFDM tỏ rõ thế mạnh của nó so với kỹ thuật đơn sóng mang trong cùng một điều kiện truyền dẫn nhƣ nhau. Với CO-OFDM, ta có thể truyền dẫn với cự ly gần 20 km mà không cần đến sợi DCF để bù trong khi đó, với kỹ thuật đơn sóng mang thì khoảng cách này chỉ khoảng 5 km. Hình 5.30 là kết quả BER đo đạc đƣợc của hai hệ thống CO-OFDM và đơn sóng mang khi không sử dụng sợi bù tán sắc DCF. Nhìn vào Hình 5.31 ta cũng thấy, đối với hệ thống đa sóng mang OFDM thì khoảng cách truyền dẫn có thể đạt đƣợc là 19 km với BER khoảng 1.37E-09 (sợi SFM có hệ số tán sắc D = 17 ps/nm.km) mà không cần bất cứ một kỹ thuật bù tán sắc nào. Trong khi đó, đối với hệ thống đơn sóng mang thì khoảng cách này đạt đƣợc là khoảng 7 km với BER khoảng 3.22E-09. Hình 5. 30 BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 81 5.2.3 Hệ thống CO – OFDM loại bỏ khoảng bảo vệ Nhƣ đã đề cập ở phần giới thiệu đề tài, hiện nay đã có nhiều ý tƣởng nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất sử dụng phổ tần số của hệ thống CO – OFDM. Việc sử dụng hai khoảng bảo vệ ở hai đầu Symbol OFDM với các sóng mang con „null‟ trở nên vô ích khi truyền tín hiệu trên kênh truyền quang [14] bởi kênh truyền quang có tính chất biến đổi chậm và tƣơng đối ổn định. Ngoài ra, ý tƣởng có thể bỏ bớt một số pilot phục vụ việc cân bằng kênh cũng giúp tăng hiệu suất hệ thống. Vì kênh truyền quang là kênh truyền cố định, biến đổi chậm và tƣơng đối ổn định theo thời gian nên việc phải thƣờng xuyên gửi kèm tín hiệu pilot truyền cùng dữ liệu có ích là không cần thiết. Việc ƣớc lƣợng, cân bằng kênh truyền quang có thể chỉ cần thực hiện một lần và nhƣ vậy chỉ cần „huấn luyện‟ trong một vài symbol ban đầu là đủ. Đề tài xây dựng một hệ thống với tín hiệu OFDM trong miền điện không còn các khoảng „zero‟ tại hai đầu mỗi symbol. Các tham số thiết kế: tƣơng tự nhƣ các tham số đã thiết kế trong hệ thống CO- OFDM nhƣng tốc độ truyền khi này đã đƣợc tăng lên 248/192 lần. Nhƣ vậy, cùng một băng thông nhƣng tốc độ của hệ thống OFDM khi không có hai khoảng „zero‟ ở hai đầu đã đƣợc tăng lên là 48*248/192 = 62 Gb/s. Chiều dài đoạn CP trong hệ thống CO- OFDM đã loại bỏ „zero‟ cũng bằng ¼ chiều dài symbol OFDM tại ngõ ra bộ IFFT. Về cơ bản, mô hình hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ „zero‟ cũng giống hệ thống CO-OFDM khi còn „zero‟. Chỉ có các thứ tự chèn pilot bị thay đổi, cũng nhƣ không cần phải có các bộ loại bỏ „zero‟ tại bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong bộ thu. Một số kết quả mà đề tài thu đƣợc. Hình 5.32 là giản đồ chòm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ „zero‟. So với hệ thống CO-OFDM đã xét trên thì chất lƣợng của hệ thống này cũng chấp nhận đƣợc. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 82 Hình 5. 31 Giản đồ chòm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ các khoảng „zero‟ Tuy nhiên, khả năng bị nhiễu ISI do tán sắc gây ra ở hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ „zero‟ lại kém hơn hệ thống CO-OFDM khi có khoảng „zero‟. Hình 5.32 cho ta thấy BER của hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ khoảng bảo vệ tăng nhanh theo chiều dài sợi SMF. Khi chiều dài sợi SMF là 7 km thì BER hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ khoảng bảo vệ đạt 4.77E-23. Nhƣng khi chiều dài sợi SMF là 8 km thì hệ thống này đã không còn hoạt động tốt đƣợc nữa, lúc này BER đã tăng lên 4E-03. Trong khi ở hệ thống CO- OFDM thì nhƣ đã xét, khoảng cách truyền đƣợc là 19 km với BER đạt 1.37E-09. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 83 Hình 5. 32 BER của hai hệ thống CO-OFDM và CO-OFDM đã bỏ khoảng bảo vệ Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 84 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong chƣơng này, đề tài đi vào tổng kết các kết quả đã đạt đƣợc và đánh giá các kết quả đã đạt đƣợc. Đồng thời, đề tài đƣa ra một số hƣớng nghiên cứu để có thể phát triển tiếp. 6.1 KẾT LUẬN Qua quá trình thực hiện, phần nào đề tài đã phản ánh đƣợc ƣu điểm của kỹ thuật OFDM khi truyền trên kênh truyền sợi quang, thực hiện mô phỏng hệ thống CO-OFDM tƣơng đối hoàn chỉnh nhờ sử dụng công cụ Matlab Simulink 7.0. Hệ thống CO-OFDM hoàn chỉnh mà đề tài xây dựng có tốc độ bit đạt 48 Gb/s với hệ thống truyền dẫn dài 80x2 km, đây chƣa phải là tốc độ bit quá lớn mà kênh truyền quang có thể mang lại song phần nào nó cũng phản ánh đƣợc những ƣu điểm vƣợt trội khi sử dụng kênh truyền sợi quang thay vì cáp đồng hoặc kênh truyền vô tuyến. Bên cạnh đó, đề tài cũng xây dựng đƣợc các hệ thống CO-OFDM „nâng cấp‟ so với hệ thống CO-OFDM cơ bản nhƣ là tăng hiệu suất sử dụng tần số bằng cách cắt giảm các khoảng lặng „zero‟ không cần thiết ở hai bên symbol OFDM mà vẫn đạt đƣợc chất lƣợng yêu cầu. Đề tài cũng kiểm chứng cách ƣớc lƣợng BER thành công theo nguyên tắc xác suất. Sử dụng nó làm công cụ đo đạc chất lƣợng hệ thống khi thay đổi các tham số thiết kế kênh truyền sợi quang. Có thể sử dụng mô hình mô phỏng nhƣ là một công cụ để kiểm chứng lại lý thuyết giúp cho việc học thêm phần sinh động và hiểu đƣợc bản chất của vấn đề một cách rõ ràng nhất. Tuy nhiên, đây hoàn toàn là một hƣớng nghiên cứu khá mới. Hiện tại trên thế giới chƣa có một bản thƣơng mại nào chuẩn hóa dùng hệ thống CO-OFDM [5]. Tất cả chỉ đang còn dừng lại ở mức lý thuyết, mô phỏng và một số kết quả khả quan thu đƣợc Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 85 trong các phòng thí nghiệm [5]. Điều này, phần nào cũng gây khó khăn cho việc phát triển đề tài, đƣa đề tài đi vào ứng dụng thực tế. 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Do thời gian thực hiện đề tài tƣơng đối ngắn, đề tài lại mang tính chất lý thuyết, cộng thêm kiến thức để thực hiện đề tài là tƣơng đối rộng và mới mẻ, lạ lẫm nên vẫn còn một số điểm mà đề tài chƣa thể hiện đƣợc. Đó là đề tài chƣa cho thấy đƣợc kỹ thuật OFDM góp phần chống lại tán sắc phân cực mode PMD. Kênh truyền quang mà đề tài xây dựng chỉ là kênh truyền đơn mode. Chƣa đƣa vào các kỹ thuật sửa lỗi tiên tiến. Tốc độ hệ thống mà đề tài xây dựng chƣa cao, cự ly truyền dẫn còn ngắn, cũng chƣa đƣa vào các kỹ thuật cân bằng kênh tại đầu thu. Do đó, đề tài đƣa ra một số hƣớng có thể tiếp tục đƣợc nghiên cứu và phát triển: (1) Xây dựng kênh truyền quang có 2 mode lan truyền để thấy đƣợc khả năng chống lại tán sắc phân cực mode PMD do kênh truyền sợi quang gây ra của kỹ thuật OFDM [15] (2) Nâng cao tốc độ truyền dẫn bằng cách đƣa kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng quang vào hệ thống. (3) Tính toán để ghép thêm nhiều chặng (span) nhằm nâng cao cự ly truyền dẫn. (4) Đƣa vào hệ thống các kỹ thuật sửa lỗi, cân bằng kênh tiên tiến nhằm nâng cao hơn nữa tốc độ truyền cũng nhƣ cự ly truyền dẫn. (5) Đƣa xuống phần cứng để phát triển các ứng dụng cụ thể. Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, NXB Bƣu điện, Hà Nội, 2008 [2] ThS. ĐẶNG LÊ KHOA, luận văn ThS Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, Khoa ĐT-VT, ĐH KHTN Tp HCM, 2009 [3] ThS. Nguyễn Anh Vinh, luận văn ThS Cân bằng tín hiệu điện ở đầu thu trong các hệ thống truyền dẫn quang đường dài, Khoa ĐT-VT, ĐH KHTN Tp HCM, 2009 [4] Govind P.Agrawal, Fiber-optic communications system (3 rd ), A John wiley & Sons Inc Publication, 2002 [5] William Shieh & Ivan Djordjevic, OFDM for Optical Communications, Elsevier Inc, 2010 [6] Ramjee Prasad, OFDM for Wireless CommunicationsSystems, Artech House Inc. London, 2000 [7] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller, OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-user Communications, WLANs and Broadcasting, 2002 [8] Yan Tang, William Shieh, Xingwen Yi, and Rob Evans, Optimum Design for RF- to-Optical Up-Converter in Coherent Optical OFDM Systems, IEEE Photonics Technology Letters, VOL.19, NO.7, April 1, 2007 [9] Govind P.Agrawal, Nonlinear Fiber optics, New York, July, 2006 [10] Daniel J. Fernandes Barros and Joseph M.Kahn, Optical Modulator Optimization for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, IEEE N0 2443, 13/06/2009 [11] Le Nguyen Binh, MATLAB Simulink Simulation Platform for Photonic Transmission Systems, Published Online in SciRes, May 2009 [12] Le Nguyen Binh, Modelling of Dispersion managed optical fibre communications systems, Technical Report MECSE, 13/2003 [13] L.N. Binh, H.S. Tiong and T.L. Huynh, 40Gb/s Amplitude and Phase Modulation Optical Fibre Transmission Systems, Technical Report MECSE, 24/2006 [14] Akihide Sano and Yutaka Miyamoto, Long-Haul WDM Transmission Using No- Guard-Interval Coherent Optical OFDM, NTT Network Innovation Laboratories, NTT Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 87 Corporation, 2009 [15] Hongchun Bao and William Shieh, Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM systems, ARC Special Research Centre for Ultra-Broadband Information Networks, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Melbourne, Melbourne VIC 3010, Australia, 2008 [16] S.L.Jansen, I.Morita, T.C.W.Schenk, D.Van Den Borne, H.Tanaka, Optical OFDM - A Candidate for Future Long-Haul Optical Transmission Systems, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, the Netherlands, 2006 [17] L.N. Binh and Y.L.Cheung, DWDM Optically Amplified Transmission Systems - SIMULINK Models and Test-Bed, Technical Report MECSE, 4/2005 [18] Thomas E.Murphy, Solition Pulse Propagation in Optical Fiber, IEEE Boston- WDM and Optical Networks Course, December 6, 2001 [19] T.L.Huynh, L.N.Binh, K.K.Pang, and L.Chan,"Photonic MSK transmitter models using linear and nonlinear phase shaping for non-coherent long-haul optical transmission.", Technical report-ECSE Monash University, 2005. [20] S.L.Jansen1, I.Morita1, T.C.W.Schenk2, D. Van Den Borne3, H.Tanaka1 Optical OFDM - A Candidate for Future Long-Haul Optical Transmission Systems, Optical Society of America, 2007 [21] Hongchun Bao and William Shieh, Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM systems, Optical Society of America, ARC Special Research Centre for Ultra-Broadband Information Networks, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Melbourne, Melbourne VIC 3010, Australia, 2005 [22] WilliamShieh, XingwenYi, YiranMa, and QiYang, Coherent optical OFDM : has its time come?, Received November 30, 2007; revised January 12, 2008; accepted January 15, 2008; published February 29, 2008 [23] www.wikipedia.com [24] www.vntelecom.org

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfKỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang.pdf
Luận văn liên quan