Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

ới cách phân bố điểm sao mới nhằm giải quyết vấn đề xoay pha tín hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền. Bộ điều chế 16QAM 4R là cách thiết kế tín hiệu có 4 mức biên độ và tại mỗi mức biên độ có 4 pha khác nhau. Hình 2.6 biểu diễn cách bố trí điểm sao trên giản đồ của 16 – QAM 4R và 16 - QAM Rectangular. Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R. Vấn đề đặt ra khi thiết kế bán kính của các vòng tròn là sao cho khoảng cách giữa 2 điểm trên giản đồ chòm sao là nhỏ nhất. Sau đó ta phải phân bố các điểm vào giản đồ theo mã Gray sao cho số bit giống nhau giữa 2 điểm lân cận là nhỏ nhất.  Tính toán bán kính các vòng tròn: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 16 Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao Gọi : Bán kính vòng tròn 1 là r1. Bán kính vòng tròn 2 là r2 Bán kính vòng tròn 3 là r3 Bán kính vòng tròn 4 là r4. Khoảng cách giữa 2 điểm sao trong vòng tròn r1 là d1. Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 3 là d2. Khoảng cách giữa vòng tròn 2 và vòng tròn 4 là d3. Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 2 là d4. Bằng cách sử dụng hàm phân bố xác suất Gauss, người ta đã chứng minh được rằng tỷ lệ lỗi bit (BER sẽ thấp nhất khi d1 = d2 = d3=d4 = d min Sau khi khảo nghiệm ta có: R1 = 0,4; R2= 0,7728; R3=0,9657; R4= 1,3375; D min= 0,5657. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 17  Chuyển đổi từ mã bit sang mã Gray: Mã Bit Mã Gray 0000 0000 0001 0001 0010 0011 0011 0010 0100 0110 0101 0111 0110 0101 0111 0100 1000 1100 1001 1101 1010 1111 1011 1110 1100 1010 1101 1011 1110 1001 1111 1000 Dựa vào bảng trên ta có thể phân bố các điểm sao lên giản đồ hình 2.8: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 18 Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R Từ kết quả trên ta có các mức tín hiệu đưa vào khối điều chế và giải điều chế: [0.4 + 0i 0 + 0.4i -0 - 0.4i -0.4 + 0i 0.5456 - 0.5456i -0.5456 - 0.5456i 0.5456 + 0.5456i -0.5456 + 0.5456i 0.9465 - 0.9465i -0.9465 - 0.9465i 0.9465 + 0.9465i -0.9465 + 0.9465i 0.9657 + 0i 0 + 0.9657i 0 - 0.9657i - 0.9657 + 0i] Input Output 0000 0.4+0i 0001 0+0.4i 0010 -0-0.4i 0011 -0.4+0i Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 19 0100 0.5456 - 0.5456i 0101 -0.5456 -0.5456i 0110 0.5456 +0.5456i 0111 -0.5456 +0.5456i 1000 0.9465 – 0.9465i 1001 -0.9465 – 0.9465i 1010 0.9465 + 0.9465i 1011 -0.9465 + 0.9465i 1100 0.9657 +0i 1101 0 + 0.9657i 1110 0 – 0.9657i 1111 -0.9657 +0i Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 20 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CO-OFDM Chương này trình bày mô hình hệ thống Coherrent OFDM trên kênh truyền quang (CO-OFDM). Qua đó phân tích các thành phần và kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống trên như kỹ thuật OFDM, các thiết bị phần thu và phát, sợi quang và các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống trong thông tin quang. 3.1. Giới thiệu hệ thống CO- OFDM Trong những năm gần đây thì kỹ thuật OFDM được sử dụng ngày càng rộng rãi và được ứng dụng trong nhiều hệ thống thế hệ mới. Một trong những hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM vào để tận dụng những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật OFDM nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn là hệ thống thông tin quang. Với việc sử dụng kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu ở miền điện và kỹ thuật tách sóng kết hợp (CO- Coherrent Detector) hệ thống CO- OFDM đã có thể truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cách lớn. CO-OFDM là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền trên sợi quang. Mô hình hệ thống CO-OFDM gồm có 5 khối cơ bản như trong Hình 3.1 [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 hưởng bởi các yếu tố sợi quang như tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến… Khối thứ tư là khối optical-to-RF down converter với nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang nhận được trở lại thành tín hiệu điện. Và cuối cùng là khối RF OFDM receiver, nhằm giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tương ứng với bên truyền. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 21 Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM 3.2. Kỹ thuật OFDM 3.2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 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 symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. Trong OFDM, dữ liệu trong mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng phổ này giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 22 Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 3.2.2. Tính trực giao OFDM Ý tưởng kỹ thuật OFDM là truyền đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Tốc độ của hệ thống được chia ra thành nhiều nhiều luồng dữ liệu có tốc độ thấp do đó giảm ảnh hưởng của fading đã đường, làm cho mỗi băng con được xem như một kênh fading phẳng. Ngoài ra việc các băng tần có thể chồng lấn lên nhau trân cùng một băng tần được cấp phát làm cho hiệu suất sử dụng phổ tần nâng cao. Định nghĩa: Xét một tập hợp các sóng mang con fn(t),n =0,1,…N-1 t1<t<t2. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi[5]: Tập các sóng mang con được truyền có thể viết là: Xét biểu thức (3.1) ta có: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 23 Từ (3.3) ta thấy, nếu như các sóng mang con liên tiếp cách nhau một khoảng bằng 1/T thì chúng sẽ trực giao với nhau trong chu kỳ symbol T.  Trực giao miền tần số: Theo hình 3.3 ta thấy, phổ của các sóng mang con có dạng sin chồng lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ. Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ đạt cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng tầng Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số 3.2.3. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Hình 3.4 trình bày sơ đồ khối thu phát ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM cơ bản. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 24 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM  Bộ chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial - Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang. k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. - Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.  Bộ IFFT và FFT OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ [6].  Chèn và loại bỏ dải bảo vệ - Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 25 Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng các sóng mang trực giao [2]. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức là độ rộng của một symbol có ích ts sẽ lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu. Bộ Guard interval Insertion (Hình 3.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol có ích ts mà vẫn giữa nguyên số sóng mang. Bộ Guard Interval Insertion sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ gồm q mẫu vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol tổng cộng sẽ là: TS = TG + tcp (3.4) Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM 3.2.4. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM  Ưu điểm: - OFDM sử dụng dãy tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Ngoài ra, việc sử dụng những sóng mang con trực giao này còn giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên sóng mang ICI. - Việc chèn thêm 1 khoảng bảo vệ giúp thời gian của 1 symbol lớn hơn trễ trãi lớn nhất của kênh truyền đa đường đã loại bỏ được hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI. - Kỹ thuật OFDM thích hợp cho các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao do chia băng thông tổng cộng thành nhiều băng thông nhỏ cho từng sóng mang con nên kênh truyền được xem như phẳng và không bị chọn lọc tần số. Dải bảo vệ ( CP) Phần hữu ích của tín hiệu Tcp T Tg = N/W Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 26 - Hệ thống sử dụng bộ FFT và IFFT giúp giảm bộ giao động cũng như số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí thực hiện.  Nhược điểm: - Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn (PAPR) [7]. Điều này gây khó khăn cho tính tuyến tính của mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC. - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu ISI nhưng lại giảm đi hiệu suất băng thông. - Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.[25] 3.3. Bộ phát quang Bộ phát quang có vai trò nhận tín hiệu điện được đưa đến, chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu quang. Hay nói cách khác, bộ phát quang có chức năng chuyển tín hiệu từ miền điện sang miền quang, và đưa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang). Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherrent được mô tả như hình 3.6 Hình 3.6 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZN Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 27 3.3.1. Nguồn phát quang Loại nguồn quang được sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn. Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang. Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:  Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao.  Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính.  Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.  Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này. Ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải chỉ tồn tại ở một bước sóng nhất định mà tại một khoảng bước sóng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền. Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt. Thông thường Diot phát quang LED sẽ có độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhưng giá lại rẻ hơn. Trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ưu. Nguồn quang được sử dụng trong mô phỏng của đề tài là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers). Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4] Lazer DFB được ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4]. Về cơ bản, nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng: (1) Hiện tượng phát xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.7 (c)). Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại. (2) Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 28 chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được [4] tr.78. Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng (a) Hấp thụ (b)phát xạ tự phát (c) phát xạ kích thích Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên Hình 3.8 Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sóng ánh sáng phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng có thể xảy ra là bước sóng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100: Trong đó: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, n av là chiết suất trung bình của cách tử. Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser được phản xạ có bước sóng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước sóng λB thỏa điều kiện Bragg. Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 29 Hình 3.8 Cấu trúc của Lazer DFB 3.3.2. Bộ điều chế quang Bộ điều chế quang nhằm đưa thông tin cần truyền lên sóng mang quang. Có hai kiểu điều chế quang thường được sử dụng đó là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngoài (external modulator) [11]. Mỗi dạng điều chế đều có ưu và nhược điểm riêng. Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ vừa phải (dưới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp được sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tượng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhược điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì người ta dùng bộ điều chế ngoài thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao. Đề tài sẽ đi vào phân tích, mô phỏng bộ điều chế ngoài, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator). Cấu trúc bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder MZM Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như hình 3.9 [11]. Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường độ dòng phân cực hay nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels. Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và được cho bởi công thức [11]: Trong đó: V là điện thế phân cực cho MZM. V ∏ là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng bị dịch 1800. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 30 Như vậy, pha của sóng mang quang sẽ bị dịch đi một góc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực. Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh. MZM được ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ. Có hai cách phân cực cho bộ MZM đó là phân cực đơn (single drive) và phân cực đôi (dual drive). Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator Hình 3.10 mô tả bộ MZM phân cực đơn. Trong kiểu phân cực này, chỉ có một nhánhMZM được phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta có [11]: Trong đó: E in là cường độ ánh sáng ngõ vào, Eout là cường độ ánh sáng ngõ ra, V∏ là điện thế phân cực để pha nhánh đó dịch ᴨ, Vin là điện thế phân cực cho MZM. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 31 Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn Ta thấy, khi Vin =0 → E out =E in, khi V in = V∏ → E out =0. Như vậy, tùy theo điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đến Ein (hay từ trạng thái ON đến OFF) Hình 3.11 mô tả bộ MZM phân cực đôi[11]. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V1(t) = V 2(t)). Hình 3.11 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của hai nhánh như trường hợp phân cực đơn. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 32 Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK [11]… 3.4. Bộ thu quang Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trước hết sẽ được 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 trước hết được trộn với sóng quang phát ra từ bộ dao động nội, rồi sau đó tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này được chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector. Cấu trúc bộ thu quang coherrent được mô tả rõ hơn trong hình 3.12 [5]. Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp được mô tả như 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 được chia làm hai nhánh, pha của một trong hai nhánh sẽ được lệch đi 900 (2) Tín hiệu quang nhận được cũng được chia làm hai nhánh. (3) Nhánh thứ nhất của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sóng quang đã bị lệch 900do LD2 phát ra, sau đó được dò bởi 2 photo-detector. Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ được tổng hợp lại và trả về thành phần I tương ứng bên phát. (4) Nhánh thứ hai của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sóng quang do LD2 phát ra, sau đó cũng được dò bởi 2 photo-detector. Dòng điện sau mỗi photo-detector sẽ được tổng hợp lại và trả về thành phần Q tương ứng bên phát. Hình 3.12 Mô hình bộ thu quang kết hợp Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 33 3.4.1. Photo- detector Photo-detector là linh kiện để chuyển năng lượng quang thu được thành tín hiệu điện. Thông thường một photodetector có thể là một photodiode mối nối PN, photodiode PIN, photodiode thác lũ APD… Trong thực tế, đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, yêu cầu độ nhạy cũng như độ chính xác cao thì photdiode thác lũ APD được sử dụng. Nhờ cơ chế “thác lũ” xảy ra trong photodiode APD nên so với photodiode PIN thì nó có độ nhạy lớn hơn từ 5 dB đến 15 dB [1], hiệu suất lượng tử (hiệu suất biến đổi quang-điện) của APD thường cao hơn các loại photodiode khác nhiều lần, độ đáp ứng của photodiode APD cao hơn photodiode PIN vài trăm lần (0.5 – 0.7 A/W so với 20-80 A/W) [1] [4] tr.142. Tuy nhiên, photodiode APD thì nhiễu thường cao hơn, độ ổn định kém hơn (phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và điện áp phân cực [1]), và điện áp phân cực cao hơn nhiều lần so với photodiode PIN. Kỹ thuật tách sóng Coherrent Như 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 trước tiên được đưa lên tần số trung tần fLO1 ở miền điện, sau đó tín hiệu OFDM trung tần được điều chế trên sóng mang quang nhờ một bộ MZM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM trước tiên được chuyển về tín hiệu điện OFDM ở trung tần fLO2. Sau đó việc tách ra các đường I/Q được thực hiện ở miền điện. Trong kỹ thuật táchsóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện-quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng để điều chế hai phần I/Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM được 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 90 0 (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 3.13 mô tả nguyên tắc tách sóng coherrent kiểu homodyne. Ta thấy, tách sóng coherrent được thực hiện nhờ bộ ghép lai quang 900(90 degree optical hybrid) có 6 cổng (port) và 4 photo-detector được 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 sẽ là tín hiệu quang tới Es và tín hiệu quang do bộ dao 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. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 34 Tín hiệu ra tại 4 ngõ E1-4 được biểu diễn [5]tr.270: Thành phần I được tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ nhất (PD1 và PD2 Dòng điện tương ứng của thành phần I [5] tr.271: Hình 3.13 Tách sóng Coherrent Homodyne Thành phần Q được tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ hai (PD3 và PD4). Dòng điện tương ứng của thành phần Q [5] tr.271: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 35 Vậy dòng điện tổng cộng bao gồm thành phần I/Q tại ngõ ra[5]tr.271: 3.4.2. Bộ giải điều chế Bộ giải điều chế có chức năng chuyển dòng thu được từ photodiode thành tín hiệu có dạng giống như tín hiệu trước khi đi vào bộ điều chế ở bộ phát. Tùy vào dạng điều chế tín hiệu được truyền trên sợi quang mà bộ giải điều chế được thiết kế khác nhau. Ví dụ hệ thống sử dụng dạng điều chế cường độ IM (Intensity Modulator) như NRZ-OOK thì theo sau photo-diode là một bộ khuếch đại điện, đối với điều chế pha như PSK thì phải chuyển về IM trước khi đưa vào photo-diode [3]. 3.5. Kênh truyền quang 3.5.1. Giới thiệu sợi quang Sợi dẫn quang là thành phần cơ bản để tạo nên kênh truyền quang. Đây là môi trường để truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Đây là môi trường truyền dẫn lý tưởng cho các hệ thống truyền thông hiện đại do băng thông rất lớn, bảo mật cao, gọn nhẹ… Tuy nhiên, cũng như các môi trường truyền dẫn khác, sợi quang cũng có những hiệu ứng truyền dẫn tác động vào tín hiệu quang làm tốc độ, khoảng cách và chất lượng của hệ thống. Sợi quang có cấu trúc như một ống dẫn sóng hoạt động ở dãy tần số quang, nó có hình trụ và có chức năng dẫn sóng ánh sáng truyền song song với trục của nó. Về cơ bản cấu trúc sợi quang bao gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chiết suất n1, và bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Lớp vỏ phản xạ là môi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn sự khúc xạ ánh sáng ra ngoài, tham gia bảo vệ lõi và gia cường độ bền của sợi. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 36 Hình 3.14 Cấu trúc sợi quang Ta có thể phân loại cáp sợi quang theo nhiều góc cạnh khác nhau. Phân loại theo dạng chiết suất của lõi ta có: - Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI. - Sợi quang có chiết suất giảm dần GI. - Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc. - Sợi quang dịch tán sắc DSF(Dispersion- Shifted Fiber) - Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion – Flatened Fiber) Hình 3.15 Các loại sợi quang phân loại theo chiết suất của lõi n1 a2 a2 0 r r a1 a1 n2 n(r) a2 a2 0 r a1 a1 a3 a4 a3 r a4 n(r) a2 a2 0 r r a1 a1a3 a3 n(r) Giaûm chieát suaát lôùp boïc Sôïi dòch taùn saéc DSF Sôïi san baèng taùn saéc DFF Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 37 Phân loại theo số mode truyền thông sợi quang có sợi đơn mode và sợi đa mode. Phân loại theo vật liệu chế tạo có sợi thủy tinh, sợi plastic, sợi PCS. 3.5.2. Suy hao sợi quang Suy hao trong sợi quang đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Công suất liên hệ giữa công thức ngõ ra và công suất ngõ vào như sau: [4] Pout = Pine -αL Với: Pout là công suất ngõ ra ở độ dài L Pin là công suất ngõ vào α là hệ số suy hao trung bình của sơi quang(dB/km) L là độ dài sợi quang (Km) Có nhiều nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang do cả bản chất của sợi quang và ngoài bản chất sợi quang. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang, giữa sợi quang với với các thiết bị xen rẽ là những suy hao ngoài bản chất sợi quang. Còn những suy hao do hấp thụ có liên quan đến vật liệu sợi (hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu, hấp thụ điện); suy hao do tán xạ có liên quan đến cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc sợi.; suy hao bức xạ do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra là những suy hao do bản chất của sợi quang. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 38 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng quang. Hình 3.16 cho ta thấy sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng. Hai vùng bước sóng có hệ số suy hao nhỏ nhất là 1300nm và 1550m. Đặc biệt tại cửa sổ bước sóng 1550 nm có hệ số suy hao gần 0,2dB/Km . Do đó trong các công nghệ chế tạo sợi quang hiện nay điều thiết kế sợi quang hoạt động trong 2 cửa sổ bước sóng này. 3.5.3. Tán sắc trong sợi quang đơn mode Tán sắc là hiện tượng khi một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi quang lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Hình 3.17 Tán sắc trong sợi quang Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang: 2 2 o iD    (3.16) Trong đó: τo τi k là độ rộng rộng xung ngõ vào và ngõ ra (s) Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 39 Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ quang là 1nm thì Dt thường có đơn vị là ps/nm.km Các loại tán sắc cơ bản trong sợi quang là tán sắc mode(modal dispersion) và tán sắc sắc thể (chromatical dispersion). Trong đó tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode còn tán sắc sắc thể xảy ra ở cả sợi đơn mode và đa mode. Hiện nay các hệ thống truyền thông quang đường dài đều sử dụng sợi đơn mode SMF nên chúng ta chỉ cần quan tâm đến tán sắc sắc thể. Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng. Trong đó tán sắc vật liệu là hàm của bước sóng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nó làm cho bước sóng luôn phụ thuộc vào vận tốc nhóm của bấy kỳ mode nào. Tán sắc dẫn sóng là do sợi đơn mode chỉ giữ lại khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, vì vậy còn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi. Những loại tán sắc này làm cho xung tín hiệu rộng ra gây nên nhiễu ISI và tỷ lệ bit truyền hiệu quả bị hạn chế. Ta khảo sát một quang phổ cụ thể có tần số ω được truyền từ đầu đến cuối của một sợi có chiều dài L sau một thời gian trễ τg, ta có: [4] ∆ τg =LD ∆ω (3.17) Với D = - 2ᴨc λ2 d 2β dω2 = -2ᴨcβ2 λ2 Là tham số tán sắc có đơn vị ps/nm.km. β2 = d 2β dω2 Gọi là tham số tán sắc vận tốc nhóm (GVD). Tham số này nhằm xác định xung quang có thể giãn ra bao nhiêu khi truyền qua sợi quang. Tán sắc sắc thể CD chính là tổng các tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng, được diễn tả [4]tr.40: Dchr = DMat + DWg= -1 2ᴨc (2λ dβ dλ + λ2 d2β dλ2 ) (3.18) Với DWg = - λ dβ ᴨc dλ là tán sắc ống dẫn sóng DMat = - λ d2β 2ᴨc dλ2 là tán sắc vật liệu Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 40 Độ trải rộng xung do tán sắc ống dẫn sóng Dwg(λ) và tán sắc vật liệu Dmat(λ) là hàm theo bước sóng như mô tả trên Hình 3.18 [4] tr.42. Tại bước sóng λZ tương ứng với D chr = 0 được gọi là tán sắc zero (zero dispersion). Giá trị tán sắc zero có thể thay đổi sao cho dịch tới càng gần cửa sổ quang đang sử dụng càng tốt. Người ta có thể thay đổi DWg bằng cách thay đổi bán kính của lõi tương ứng để dịch chuyển λZ tới gần 1550nm, sợi DSF được chế tạo theo nguyên tắc này. Khi xem xét các loại tán sắc kể cả tán sắc mode thì tán sắc tổng cộng bao gồm tán sắc sắc thể và tán sắc mode[1]: Dt = D 2 mode + D 2 chr (3.19) Hình 3.18 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sóng. 3.5.4. Các hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có thể được chia làm hai loại. Một là các hiệu ứng do tán xạ phi tuyến (tán xạ kích thích Brillouin SBS và tán xạ kích thích Raman SRS) và loại còn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bước sóng FWM) [9] tr.19 do sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 41 vào công suất phóng vào sợi quang. Các loại tán xạ kích thích gây ảnh hưởng đến độ lợi hay độ suy hao của tín hiệu quang, còn các loại hiệu ứng Kerr gây ảnh hưởng đến sự dịch pha của tín hiệu quang sau khi truyền qua sợi quang đó [9] tr.20. Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức công suất ngưỡng nhất định nào đó, khi công suất vào sợi quang lớn hơn mức công suất ngưỡng này thì các hiệu ứng tán xạ kích thích mới gây ảnh hưởng đến tín hiệu truyền. Còn các hiệu ứng Kerr không có ngưỡng công suất như vậy [9] tr.21. Hình 3.17 là sự phân loại các hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang [5] tr.98. Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất phóng vào sợi quang. Có thể bỏ qua các hiệu ứng này đối với các hệ thống hoạt động với công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ vừa phải (khoảng dưới 2.5 Gb/s). Tuy nhiên, với hệ thống có mức công suất hoạt động lớn, tốc độ bit cao thì việc xem xét các hiệu ứng phi tuyến tác động lên tín hiệu quang là quan trọng [9] tr 23. Hình 3.19 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Đề tài sử dụng công cụ Matlab Simulink 7.5 để gán các điểm trong giản đồ chòm sao 16QAM 4R đã thiết kế vào bộ điều chế và giải điều chế. Sau đó đề tài tiến hành xây dựng mô phỏng hệ thống CO-OFDM và ứng dụng bộ điều chế 16QAM 4R vào hệ thống trên. Ngoài ra, trong chương này cũng tiến hành khảo sát tác động của công suất và khoảng cách truyền dẫn lên chất lượng của hệ thống. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 42 4.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM Mô hình tổng quát hệ thống CO-OFDM, cũng như các hệ thống truyền thông cổ điển khác, bao gồm ba khối cơ bản: (1) bộ phát, (2) kênh truyền và (3) bộ thu được mô hình hóa như Hình 4.1. Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống CO-OFDM Bộ phát 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 đưa vào sợi quang. Kênh truyền quang truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Và khối cuối cùng là bộ nhận nhằm chuyển tín hiệu OFDM ở miền quang trở về lại tín hiệu OFDM ở miền điện. Sau đó được giải điều chế OFDM trả lại dữ liệu ban đầu. 4.1.1. Bộ phát Bộ phát có nhiệm vụ biến đổi thông tin dữ liệu đầu vào thành tín hiệu điện sau đó chuyển đổi tín hiệu này từ miền điện sang miền quang để đưa vào sợi quang. Ta có mô hình mô phỏng bộ phát được xây dựng như hình 4.2. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 43 Hình 4.2: Mô hình bộ phát quang Nhìn vào mô hình trên ta thấy có 2 thành phần cơ bản: thành phần thứ nhất là khối OFDM, khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu OFDM trong miền điện. Thành phần thứ hai là bộ điều chế ngoài Mach –Zehnder để điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng để đưa vào sợi quang.  Tín hiệu OFDM trong miền điện Hình 4.3: Khối điều chế tín hiệu OFDM Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 44 Các thông số thiết kế của khối OFDM: - Bộ tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli binary với xác suất bit 0 là 0.5, tần số lấy mẫu là 10*10^-12s. Hình 4.4 Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli - Bộ điều chế ánh xạ chòm sao (IQ mapper) sử dụng phương pháp điều chế 16QAM 4R đã được thiết kế. Hình 4.5 Khối điều chế 16QAM 4R Các điểm tín hiệu trong khối điều chế 16QAM 4R: [0.4 + 0i 0 + 0.4i -0 - 0.4i -0.4 + 0i 0.5456 - 0.5456i -0.5456 - 0.5456i 0.5456 + 0.5456i -0.5456 + 0.5456i 0.9465 - 0.9465i -0.9465 - 0.9465i 0.9465 + 0.9465i -0.9465 + 0.9465i 0.9657 + 0i 0 + 0.9657i 0 - 0.9657i - 0.9657 + 0i] Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 45 - Khối điều chế tín hiệu OFDM được thiết kế là bộ điều chế OFDM 256 điểm . Trong đó bao gồm 200 data, 4 số zero đầu, 4 số zero cuối, 48 số zero ở giữa kênh. Như vậy trước khi vào bộ IFFT một symbol OFDM có 256 mẫu rời rạc. Để tránh nhiễu ISI hệ thống còn thêm một khoảng bảo vệ có chiều dài bằng ¼ chiều dài symbol OFDM. Như vậy một symbol OFDM sẽ có 320 mẫu. Hình 4.6 Khối thêm khoảng bảo vệ CP  Bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM Tín hiệu OFDM sau khi đã được điều chế trong miền điện sẽ được đưa vào bộ điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang và được truyền đi trong sợi quang. Bộ điều chế ngoài MZM hoạt động ở chế độ phân cực đôi sẽ làm nhiệm vụ điều chế 2 thành phần I/Q của tín hiệu OFDM thành tín hiệu quang. Tín hiệu ngõ ra của bộ điều chế quang MZM bằng tổng tín hiệu ở hai nhánh được dịch pha theo tín hiệu ngõ vào. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 46 Hình 4.7 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM Hình 4.8 Bộ điều chế pha – phase modulator Hình 4.9 Bộ dịch pha – phase shift block Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 47 4.1.2. Mô phỏng kênh truyền sợi quang  Các tham số kênh truyền Kênh truyền sợi quang bao gồm nhiều chặng (span) được ghép nối với nhau, mỗi một chặng bao gồm sợi quang đơn mode chuẩn SFM có chiều dài là 80 km, với mỗi sợi quang SMF ta có thêm 1 bộ khuếch đại quang sợi EDFA để bù suy hao do sợi quang gây ra (suy hao tín hiệu = 0.2x80 = 16 dB được bù hoàn toàn với bộ EDFA với độ lợi G = 16 dB). Mô hình xây dựng để mô phỏng kênh truyền quang như Hình 4.10. Hình 4.10 Mô hình truyền dẫn sợi quang . Mô hình sợi quang được xây dựng như Hình 4.11. Đây là kết quả của việc giải phương trình sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Các thông số mô phỏng kênh truyền sợi quang.  Dz=0.1km, SMFlegth= 80km  DSMF = 4ps/nm.km  Pthreshold= 10mW  α= 0.2dB/km Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 48 Hình 4.11 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 được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại EDFA.. Tuy nhiên trong mỗi bộ khuếch đại này luôn kèm theo một thành nhiễu ASE có thể xem có dạng giống nhiễu Gaussian. 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 lượng hệ thống. Đây là một trong những nguyên nhân khiến không thể sử dụng các bộ điều chế nhiều mức cho hệ thống thông tin quang đường dài. Bộ khuếch đại EDFA được mô hình hóa sử dụng Simulink như Hình 4.12. Hình 4.13 Mô hình bộ khuếch đại EDFA Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 49 4.1.3. 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. Bộ tách sóng quang kết hợp có nhiệm vụ tách tín hiệu quang thu được thành hai thành phần tương ứng I/Q, sau đó chuyển đổi hai thành phần này thành tín hiệu điện. Bộ xử lý tín hiệu OFDM ở phía thu này có nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu OFDM sau đó cân bằng tín hiệu trước khi đưa vào bộ giải điều chế để khôi phục tín hiệu như ban đầu. Hình 4.14 mô tả cấu trúc bộ thu quang được xây dựng trong mô phỏng. Hình 4.14 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX  Bộ chuyển đổi quang-điện Mô hình bộ chuyển đổi quang-điện Optical Coherent Receiver được xây dựng như Hình 4.15. Trong đó, bộ dao động nội LO đóng vai trò tạo ra tần số dao động nội bằng với tần số Lazer bên phát. Phương pháp tách sóng được sử dụng là phương pháp tách sóng tích hợp. Tín hiệu quang đi tới đầu thu được tách làm hai thành phần I, Q nhờ dịch pha 1 góc 90 0 như trên hình. Sau đó, từng nhánh của tín hiệu thu được bao gồm nhánh thứ nhất là tín hiệu quang tới và nhánh thứ hai là tín hiệu quang tới nhưng đã bị lệnh pha 90 0 được đưa vào bộ nhận cân bằng (Balanced Receiver). Cấu trúc của bộ nhận cân bằng bao gồm 2 photo-detector được xây dựng như Hình 4.16. Việc tách sóng cân Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 50 bằng sử dụng 2 photo-detector sẽ làm tăng độ lợi 3 dB so với tách sóng chỉ dùng 1 photo-detector [1]. Hình 4.15 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver Hình 4.16 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver  Mô hình giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF Sau khi đã tách ra được hai thành phần I/Q ở miền điện từ sóng mang quang tới nhờ các photo-diode, tín hiệu phức nhận được sẽ được chuyển về dạng số tương ứng nhờ bộ lọc cosine ở phía thu. Sau đó, tín hiệu số được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song nhờ bộ buffer và mỗi symbol được buffer sẽ bao gồm 320 mẫu rời rạc. Từng Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 51 symbol như vậy sẽ được đưa vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ở miền điện. Hình 4.17 mô tả bộ xử lý tín hiệu OFDM ở phía thu. Hình 4.17 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx Tín hiệu sau khi qua bộ buffer sẽ được giải điều chế OFDM. Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM được mô phỏng như Hình 4.18. Từng symbol 320 mẫu rời rạc sẽ được loại bỏ khoảng bảo vệ nhờ bộ remove cyclic prefix (RCP), symbol sau khi qua bộ RCP sẽ còn 256 mẫu và được đưa 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 tín hiệu tại ngõ ra trên dựa vào những đặc điểm về ảnh hưởng của kênh truyền đối với hệ thống. Cuối cùng, các giá trị này được giải điều chế ánh xạ chòm sao nhờ bộ IQ demapper, trả về dữ liệu tương ứng với bên phát. Hình 4.20 là chòm sao của bên phát và bên thu tương ứng. Hình 4.18 Phần thực và phần ảo ngõ vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 52 Hình 4.19 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM Hình 4.20 Giản đồ chòm sao tương ứng với phía phát và phía thu 4.2. Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả khảo sát việc ứng dụng bộ điều chế và giải điều chế 16 QAM 4R vào hệ thống CO-OFDM. Ngoài ra, đề tài còn khảo sát ảnh hưởng của công suất đặt vào sợi quang và so sánh tỷ lệ lỗi BER theo khoảng cách truyền dẫn của hai dạng điều chế 4QAM và 16QAM. 4.2.1. Hệ thống CO-OFDM sử dụng phương pháp điều chế 16QAM 4R tốc độ 100Gb/s  Tốc độ nguồn: 100Gb/s.  Phương pháp điều chế: 16QAM 4R. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 53  Khối OFDM: Số sóng mang con là 256. Chiều dài khoảng bảo vệ là 1/4 chiều dài symbol OFDM. Vậy chiều dài tổng cộng một Symbol OFDM là 320 điểm rời rạc.  Kênh truyền quang: Kênh truyền quang được mô hình hóa dựa trên tính chất của sợi đơn mode chuẩn SMF G655 của IEEE với 2 thông số cơ bản cần quan tâm là độ suy hao 0.2dB/Km, độ tán sắc DSMF 4ps/nm.km. Chiều dài sợi quang là 160 Km không có sử dụng sợi quang bù tán sắc DCF. Hình 4.21 Giản đồ chòm sao ở phía đầu thu Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 54 Hình 4.22 Giản đồ mắt tại phía thu Nhìn vào hai giản đồ trên ta có thể thấy hệ thống đã có thể truyền được tốc độ 100Gb/s trên 1 mode của kênh truyền quang mà không cần sợi bù tán sắc như các hệ thống trước đây. Với việc sử dụng bộ điều chế và giải điều chế 16QAM 4R vào hệ thống, băng thông hệ thống đã có thể tăng lên gấp đôi so với hệ thống dùng bộ điều chế 4QAM trước đây. BER của mô hình trên là 2,447e-4. Kết quả này có thể chấp nhận được với hệ thống truyền dẫn tốc độ cao và chưa sử dụng các thuận toán sửa lỗi tiên tiến. Các hệ thống CO-OFDM hoàn chỉnh có sử dụng các thuật toán sửa lỗi tiên tiến sẽ giúp BER của hệ thống giảm xuống mức cho phép. 4.2.2. Khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống theo công suất đầu vào ở tốc độ 100Gb/s sử dụng bộ điều chế 16QAM Công suất đặt vào sợi quang là một số quang trọng cần phải chú ý khi thiết kế một hệ thống thông tin quang. Nếu công suất đặt vào sợi quang nhỏ thì tín hiệu truyền đi dễ bị nhiễu đặc biệt là phương pháp điều chế 16QAM 4R có tới 4 mức biên độ khác nhau nên khi xảy ra nhiễu những tín hiệu có mức biên độ nhỏ sẽ bị tác động nhiều nhất nên rất khó xác định ở bộ giải mã gây nên việc giải mã sai. Để tránh việc nhiễu tín hiệu có mức biên độ nhỏ ta phải tăng công suất phát vào sợi quang nhưng nếu công suất đưa vào quá lớn sẽ làm cho tín hiệu vượt ngưỡng phi tuyến, khi đó tín hiệu truyền Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 55 đi không chỉ bị ảnh hưởng bởi suy hao và tán sắc mà nó còn bị ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang. Hình 4.23 Khảo sát BER dựa trên công suất đầu vào sợi quang Hình 4.23 đã cho ta thấy mối liên hệ giữa công suất đặt vào sợi quang và tỷ lệ lỗi BER tương ứng. Khi tín hiệu còn ở trong vùng tuyến tính, công suất đầu vào sợi quang thay đổi không ảnh hưởng nhiều đến kết quả của hệ thống. Nhưng khi công suất vượt ngưỡng tuyến tính thì tín hiệu xấu đi một cách nhanh chóng và chất lượng hệ thống giảm xuống rõ rệt xuống dưới mức 10^-3 khiến cho các hệ thống sửa lỗi không thể phục hồi tín được hiệu được. 4.2.3. Kết quả khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống ở tốc độ 100Gb/s theo khoảng cách truyền dẫn Khi sử dụng các bộ điều chế đa mức, ta có thể giảm băng thông của hệ thống qua đó nâng cao tốc độ truyền tải trên kênh truyền nhưng ngược lại ta phải chấp nhận tín hiệu sẽ bị xấu đi so với các phương pháp điều chế đơn giản. Hình 4.24 khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống khi dùng phương pháp điều chế 4QAM và 16QAM. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 56 Hình 4.24 Khảo sát BER theo khoảng cách của hai phương pháp điều chế 4QAM và 16QAM Đề tài khảo sát hệ thống CO-OFDM hoạt động ở tốc độ 100Gb/s. Ta khảo sát chiều dài sợi quang thay đổi từ 80Km – 400Km. Nhìn vào hình 4.24 ta có thể thấy ở cùng 1 khoảng cách và tốc độ truyền dẫn, hệ thống sử dụng bộ điều chế 4QAM cho tỷ lệ lỗi BER thấp hơn so với hệ thống sử dụng bộ điều chế 16QAM. Khi khoảng cách truyền dẫn ngày càng xa với hệ thống không có sử dụng sợi bù tán sắc DCF thì tỷ lệ lỗi BER của hai hệ thống trên gần như tương đương nhau. Như vậy, ta có thể sử dụng phương pháp điều chế đa mức cho hệ thống nhằm giảm băng thông và tăng tốc truyền dẫn trên kênh truyền. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 57 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong chương này, đề tài đi vào tổng kết các kết quả đã đạt được và đánh giá các kết quả đã đạt được. Đồng thời, đề tài đưa ra một số hướng nghiên cứu để có thể phát triển tiếp. 5.1. Kết luận Qua quá trình thực hiện, đề tài đã hoàn thành được mục tiêu đề ra là thiết kế bộ điều và giải điều chế 16QAM 4R và ứng dụng khối này vào hệ thống CO-OFDM. Ngoài ra, đề tài đã thực hiện mô phỏng hệ thống CO-OFDM tương đối hoàn chỉnh bằng công cụ Matlab Simulink 7.5. Hệ thống CO-OFDM hoàn chỉnh mà đề tài xây dựng có tốc độ bit đạt 100Gb/s với hệ thống truyền dẫn dài 160 km, đây tốc độ bit trên một bước sóng mà hiện nay các hệ thống truyền quang đang hướng đến nhằm nâng cấp hệ thống quang hiện nay đang được triển khai. Đề tài đã khảo sát được việc phải sử dụng phương pháp điều chế đa mức trong trường hợp muốn giảm băng thông và tăng tốc độ truyền dẫn của hệ thống. Tuy nhiên, đề tài vẫn còn nhiều vấn đề còn thiếu sót. Hiện tại trên thế giới chưa có một đề tài nào khảo sát phương pháp điều chế mà đề tài thiết kế nên gây nhiều khó khăn trong việc kiểm tra hiệu quả và tính thực tế của bộ điều chế và giải điều chế trên. 5.2. Hướng phát triển Do đề tài tương đối rộng và mới mẻ nên một số điểm của đề tài vẫn chưa thực hiện được. Đề tài chưa cho thấy việc sử dụng hiệu quả phương pháp điều chế 16QAM 4R so với phương pháp điều chế 16QAM Rectangular trong trường hợp tán sắc trong sợi quang được giảm xuống đáng kể trong một số chuẩn cáp quang mới. Kênh truyền quang được mô phỏng trong đề tài là kênh truyền đơn mode nên chưa cho thấy được hiệu quả về băng thông của hệ thống khi sử dụng bộ điều chế đa mức. Đề tài chưa đưa vào các kỹ thuật sửa lỗi tiên tiến để nâng cao chất lượng hệ thống. Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn được xây dựng trong đề tài còn có thể nâng cao lên nhiều lần so với hiện tại. Do đó, đề tài đưa ra một số hướng có thể tiếp tục được nghiên cứu và phát triển: (1) Ứng dụng cách bố trí giản đồ chòm sao của bộ điều chế 16QAM 4R vào bộ điều chế quang. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 58 (2) Nâng cao tốc độ truyền dẫn bằng cách đưa kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang vào hệ thống. (3) Đưa vào hệ thống các kỹ thuật sửa lỗi kênh tiên tiến nhằm nâng cao hơn nữa tốc độ cũng như cự ly truyền dẫn của hệ thống. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, NXB Bưu điện, Hà Nội, 2008. [2] ThS. ĐẶNG LÊ KHOA, luận văn thạc sĩ Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, Khoa ĐT-VT, ĐH KHTN Tp HCM, 2009 [3] ThS. Nguyễn Anh Vinh, luận văn thạc sĩ 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 (3rd), 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] TS. Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM, NXB Khoa học và kỹ thật, Hà Nội, 2006. [9] Govind P.Agrawal, Nonlinear Fiber optics, New York, July, 2006 [10] 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. [11] Le NguyenBinh, MATLAB Simulink Simulation Platform for Photonic Transmission Systems, Published Online in SciRes, May 2009