Kỹ thuật truyền dẫn rof trên sợi quang

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ROF TRÊN SỢI QUANG GVHD : Ths.Phạm Thúy Oanh SVTH : Hồ Lê Lợi MSSV : 0951040038 LỚP : DV09 TP.HCM, Tháng 09 Năm 2013 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Khoa: ………………………… Bộ môn: ……………………… PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Phiếu dán trang báo cáo LVTN) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài (sĩ số nhóm……): (1) MSSV: ………………… Lớp: (2) MSSV: ………………… Lớp: (3) MSSV: ………………… Lớp: Ngành : Chuyên ngành : Tên đề tài : Các liệu ban đầu : Các yêu cầu chủ yếu : Kết tối thiểu phải có: SVTH: Hồ Lê Lợi Trang ii MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh 1) 2) 3) 4) Ngày giao đề tài: ……./…… /……… Ngày nộp báo cáo: ……./…… /……… TP HCM, ngày … tháng … năm ……… Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) SVTH: Hồ Lê Lợi Trang iii MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt luận văn em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn Ths.Phạm Thúy Oanh, Cơ tận tình hướng dẫn, giám sát động viên em suốt trình thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô, người giảng dạy chúng em suốt năm qua, cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện-Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài Em xin cảm ơn bạn lớp DV09 góp ý, giúp đỡ động viên Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn đến bố mẹ người thân gia đình ln bên cạnh ủng hộ công việc học tập SVTH: Hồ Lê Lợi Trang iv MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung báo cáo luận văn chép đồ án hay cơng trình nghiên cứu có từ trước Các số liệu báo cáo trung thực Nếu vi phạm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm SVTH: Hồ Lê Lợi Trang v MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh MỤC LỤC Phiếu giao đề tài luận văn tốt nghiệp ii Lời cảm ơn iv Lời cam đoan v Mục lục vi Danh mục hình vẽ, bảng biểu ix Danh mục từ viết tắt xii Lời mở đầu Chương SƠ LƯỢC THÔNG TIN QUANG 1.1 Lý thuyết sợi quang 1.1.1 Cấu trúc cáp quang 1.1.2 Phân loại cáp quang 1.1.2.1 Phân loại theo mode 1.1.2.2 Phân loại theo môi trường lắp đặt 10 1.1.3 Các thông số sợi quang 12 1.1.4 Các tượng ảnh hưởng đường truyền quang 14 1.1.4.1 Suy hao hấp thụ 14 1.1.4.2 Suy hao tán xạ 15 1.1.4.3 Suy hao sợi bị uốn cong 15 1.1.4.4 Tán sắc 16 1.1.4.5 Hiệu ứng phi tuyến 16 1.2 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang 17 1.3 Các kỹ thuật ghép kênh quang 19 1.3.1 WDM 19 1.3.2 SDM 23 1.3.3 TDM-OTDM 23 1.4 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 23 SVTH: Hồ Lê Lợi Trang vi MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh 1.4.1 Ưu điểm 24 1.4.2 Nhược điểm 25 1.5 Ứng dụng hệ thống thông tin quang 26 1.5.1 Lĩnh vực viễn thông 26 1.5.2 Lĩnh vực dịch vụ tổng hợp 26 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN ROF TRÊN SỢI QUANG 2.1 ROF 28 2.1.1 Khái quát truyền sóng vơ tuyến 28 2.1.2 Truyền sóng dải microwave milimeterwave 30 2.1.3 Sự kết hợp vô tuyến sợi quang 32 2.1.4 Khái niệm truyền dẫn ROF 33 2.1.5 Các kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang 35 2.1.5.1 Công nghệ ROF sử dụng kỹ thuật IM-DD 36 2.1.5.2 Công nghệ ROF sử dụng kỹ thuật tách heterodyne đầu xa RHD 36 2.1.6 Các điều chế 38 2.1.6.1 Bộ điều chế Mach-Zehnder 39 2.1.6.2 Bộ điều chế hấp thụ electron 41 2.1.7 Bộ điều chế trộn nhiều sóng quang 42 2.1.7.1 Nguyên lý hoạt động 43 2.1.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến kỹ thuật 45 2.1.8 Kỹ thuật nâng hạ tầng 47 2.1.9 Bộ phát quang 48 2.1.9.1 Sơ đồ khối phát quang 48 2.1.9.2 Mạch phát điều biến cường độ trực tiếp 49 2.1.10 Bộ thu quang 51 2.1.10.1 Tách sóng trực tiếp 51 2.1.10.2 Tách sóng Heterodyne đầu xa(RHD) 52 2.2 Hoạt động tuyến ROF 53 SVTH: Hồ Lê Lợi Trang vii MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh 2.2.1 Cấu trúc tuyến ROF 53 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 55 2.2.2.1 Tuyến downlink 56 2.2.2.2 Trạm gốc BS 60 2.2.2.3 Tuyến uplink 61 2.3 Ưu nhược điểm công nghệ ROF 62 2.3.1 Ưu điểm 62 2.3.2 Nhược điểm 63 2.4 Sự kết hợp WDM vào kỹ thuật ROF 64 2.5 Áp dụng kỹ thuật ROF vào mạng truy nhập vô tuyến 65 2.5.1 Mạng vô tuyến cellular 65 2.5.2 Mạng WLAN băng tần 60 GHz 66 2.5.3 Mạng truyền thông RVC 72 CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Giới thiệu phần mềm mô Simulink 79 3.2 Mô tuyến Downlink 80 3.2.1 Các thông số công thức 80 3.2.2 Mô nhánh 81 3.2.3 Mô nhánh 84 3.2.4 Mô kết hợp 85 3.2.5 Áp dụng tuyến ROF 88 3.3 Tỉ số lỗi bit BER tuyến ROF 92 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Những điểm đạt đề tài 94 4.2 Những điểm chưa đạt 94 4.3 Hướng phát triển 94 Tài liệu tham khảo 96 Phụ lục 97 SVTH: Hồ Lê Lợi Trang viii MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình Vơ tuyến lịng đất Hình 1.1 Cáp quang Hình 1.2 Cấu trúc cáp quang Hình 1.3 Bó cáp quang Hình 1.4 Phân loại cáp quang theo mode Hình 1.5 Cáp treo 11 Hình 1.6 Cáp kéo ống 11 Hình 1.7 Cáp nhà 12 Hình 1.8 Cáp thả biển 12 Hình 1.9 Cơng suất truyền sợi quang 13 Hình 1.10 Vùng hiệu 14 Hình 1.11 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang 19 Hình 1.12 Kỹ thuật ghép kênh quang WDM 21 Bảng 1.1 Các băng tần bước sóng làm việc sóng điện từ 21 Hình 1.13 Hệ thống WDM đơn hướng 22 Hình 1.14 Hệ thống WDM song hướng 22 Hình 1.15 Sơ đồ hệ thống thông tin quang 24 Hình 1.16 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 24 Hình 1.17 Kết nối tổng đài cáp sợi quang 26 Hình 1.18 Mạng truyền hình cáp quang 27 Bảng 2.1 Các dải tần làm việc sóng vơ tuyến 29 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống ROF 34 Hình 2.2 Hệ thống ROF 900MHz 35 Hình 2.3 Tạo tín hiệu RF điều chế cường độ 36 Hình 2.4 Trộn kết hợp quang dựa laser điều tần 38 Hình 2.5 Cơ chế điều chế 39 Hình 2.6 Bộ lọc March-Zehnder(MZI) 41 SVTH: Hồ Lê Lợi Trang ix MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 2.7 Đầu thu tách sóng heterodyne 43 Hình 2.8 Kỹ thuật Heterodyne mạng ROF 47 Hình 2.9 Sơ đồ khối nâng tần 47 Hình 2.10 Sơ đồ khối phát quang 49 Hình 2.11 Mạch kích thích 50 Hình 2.12 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng heterodyne 52 Hình 2.13 Cấu trúc tuyến ROF 53 Hình 2.14 Cấu hình tuyến ROF xử lý tập trung CS 54 Hình 2.15 Cấu hình tuyến ROF với BS phức tạp 54 Hình 2.16 Cấu hình tuyến ROF cho kỹ thuật IFOF 55 Hình 2.17 Tuyến ROF sử dụng điều chế ngồi March-Zehnder 56 Hình 2.18 Bộ điều chế Dual-March Zehnder 57 Hình 2.19 Ngõ điều chế 59 Hình 2.20 Truyền dẫn ROF kết hợp DWDM 64 Hình 2.21 Kiến trúc vịng Ring ROF 65 Hình 2.22 Cấu trúc mạng WLAN 67 Hình 2.23 Giao thức chuyển giao bàn cờ 69 Hình 2.24 Chuyển giao giao thức chuyển giao bàn cờ 70 Hình 2.25 Mạng RVC 73 Hình 2.26 Mạng RVC áp dụng kỹ thuật ROF 74 Hình 2.27 Chuyển giao khung di chuyển 75 Hình 2.28 Chuyển giao mạng RVC 76 Hình 3.1 Phần mềm Matlab 79 Hình 3.2 Thư viện phần mơ Simulink 80 Hình 3.3 Mơ hình nhánh 82 Hình 3.4 Sản phẩm BS điều chế nhánh 82 Hình 3.5 Khối PD chế độ Angle 83 Hình 3.6 Khối Scope nhánh 83 SVTH: Hồ Lê Lợi Trang x MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.4 cho ta thấy truyền nhánh BS ta thu sóng RF, thành phần tần số cao có tần số 60GHz tương ứng với tần số góc 3.7×10 11(rad/s) sóng LO Hình 3.5 Khối PD chế độ Angle Hình 3.6 Khối Scope nhánh SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 83 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh 3.2.3 Mô nhánh Nhánh dùng để điều liệu trường hợp ta không đưa điều chế vào, mô MZM với tần số thấp 2.5GHz để so sánh khác Trường hợp này, ta thay đổi thông số độ lợi Gain cho phù hợp Hình 3.7 Sản phẩm BS điều chế nhánh Nếu truyền nhánh BS ta thu sóng RF tần số thấp 2.5GHz tương ứng với tần số góc 1.57×1010(rad/s) Đây liệu điều chế tần số 2.5GHz để xạ Anten BS truyền tới MH tín hiệu xạ cần phải điều tần lên mức 60GHz Hình 3.8 Thời gian lấy mẫu 1e-6(PSD) SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 84 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.9 Ngõ nhánh có điều chế 3.2.4 Mô kết hợp Kết hợp hai nhánh điều chế MZM Hai nhánh điều chế tổng hợp nhờ Add Bỏ qua thành phần khuếch đại quang EDFA lọc quang B0 lọc thành phần không cần thiết Đến BS, tín hiệu qua tách sóng PD Tín hiệu tổng hợp gồm có hai thành phần tần số fLO thành phần tần số mang tín hiệu cần truyền xạ anten SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 85 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.10 Sơ đồ kết hợp hai nhánh Hình 3.11 Ngõ BS chưa có lọc SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 86 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Ta thấy ta kết hợp điều chế lại truyền BS có hai thành phần tần số Đó liệu cần truyền điều chế lên tần số vô tuyến Để thu thành phần tần số mang tín hiệu ta dùng lọc thơng dải có tần số từ 57-58GHz Hình 3.12 Ngõ BS có lọc Hình 3.13 Khối Scope tổng hợp hai nhánh SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 87 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Ta thấy tổng hợp hai nhánh lại với nhau, nhánh chưa điều chế liệu sóng dày đặt sát với với biên độ nhỏ Như kỹ thuật mang lại cho sản phẩn cần thiết điều chế mà không thiết phải có nhân tần Đây điểm hay kỹ thuật 3.2.5 Áp dụng tuyến ROF Thành phần Sine Wave 3, Cos Wave đại diện cho bit với pha 0, thành phần Sine Wave Cos Wave đại diện cho bit với pha π Bộ phát xung có tốc độ thực tế tốc độ bit điều khiển thành phần dưới, để dễ quan sát thời gian mô ta chọn tốc cách thích hợp Hình 3.14 Sơ đồ tuyến ROF SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 88 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Đây mơ hình tuyến ROF hồn chỉnh với khối Manual Switch điều chỉnh nằm mức hay Khối Power Spectral Density dùng để mô tả mật độ phổ công suất biên độ, pha tần số tín hiệu Bộ lọc Filter Design ta để chế độ lọc sóng tương tự Analog Pulse Generator phát sóng chuyển mạch Switch để điều chế tín hiệu dạng BPSK Hình 3.15 Đầu tuyến downlink ROF Từ hình 3.10 ta thấy phổ tín hiệu không thay đổi phương pháp điều chế BPSK, gồm vạch phổ 57.5GHz Tuy nhiên có liệu hình dáng tín hiệu khác với ban đầu Thời gian bit mơ 2×10-9 giây bị trễ thời gian 1.7×10-9 giây, tác động lọc thông dải tác động đến độ trễ SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 89 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.16 Dạng tín hiệu tuyến ROF Hình 3.17 Tuyến ROF với Manual Switch nấc SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 90 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.18 Đầu tuyến ROF Manual Switch nấc Khi đó, ta có hình dạng tín hiệu sau: Hình 3.19 Hình dạng tín hiệu Manual Switch nấc Nếu dùng lọc thơng thấp thơng cao ta có hình dạng tín hiệu sau: SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 91 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Hình 3.20 Dạng tín hiệu lọc thơng thấp cao tương ứng 3.3 Tỉ số lỗi bit BER tuyến ROF Hiện tượng tán sắc, suy hao nhiễu pha ảnh hưởng lớn đến đường truyền sợi quang Nó tác động tới tín hiệu làm suy giảm CNR tín hiệu đến đầu thu Các thành phần fLO fsub phân tích theo kỹ thuật heterodyne, tác động tán sắc, suy vào nhiễu pha thành phần sợi quang làm giảm SNR lượng so với điểm phát là:  2 v DL f 2  f LO  f sub    Px  exp    c   Với Δv bề rộng 3dB ngõ laser, D tán sắc sợi quang, Lf suy hao Mặc khác, giả sử nhiễu pha có phân bố Guassian phương sai(variance) là:  DL f 2  f LO  f sub    2 v Bn   c   Với Bn băng thông nhiễu tương đương thu sóng mm Sau giải điều chế BPSK BER tín hiệu là:  CNR cos2    x Pe    erfc   2   SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 92 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh Với CNRx CNR tín hiệu đầu thu bao gồm mát Px Như BER hệ thống tính sau: 2   2  CNRx cos  e 2   Pe  erfc   2 2        BER tuyến downlink gần tương tự BER tuyến uplink SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 93 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF CHƯƠNG GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh KẾT LUẬN 4.1 Những điểm đạt đề tài  Nắm các thông tin cáp quang, đường truyền sợi quang  Các phương pháp truyền dẫn vô tuyến sợi quang  Hiểu phân tích vấn đề có liên quan đến cơng nghệ truyền dẫn vơ tuyến ROF sợi quang cấu trúc, mơ hình ROF, thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động tuyến Downlink Uplink, yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền ROF vận hành, áp dụng số mạng truyền dẫn không dây  Những ưu điểm bật công nghệ ROF bên cạnh yếu tố hạn chế kỹ thuật  Mơ phân tích dạng sóng ra, mật độ phổ công suất tuyến tải xuống downlink chiều thừ trạm trung tâm CS đến thiết bị di động người dùng MH 4.2 Những điểm chưa đạt  Chỉ nghiên cứu, tìm hiểu cơng nghệ truyền sóng tần số vơ tuyến RF qua sợi quang, ngồi cịn có kỹ thuật truyền sóng trung tần IF truyền sóng băng tần sở BF  Chỉ đưa mô hướng tải xuống downlink  Do trình độ hạn chế nên số vấn đề cịn chưa hiểu hết chất 4.3 Hướng phát triển Là tiền đề để nghiên cứu thêm cấu trúc, nguyên lý hoạt động cấu hình mạng có khả sử dụng kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang ROF mạng di động hệ UMTS-3G, mạng di động hệ thứ tư-4G LTE mạng truy nhập vô tuyến khác hay áp dụng kỹ thuật OFDM vào mạng ROF Mỗi cấu hình SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 94 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh có ưu điểm, nhược điểm riêng số ứng dụng phù hợp cho mạng Các kết mô thể ưu điểm kỹ thuật Hiện công nghệ ROF nghiên cứu để sử dụng việc truyền thơng lịng đất Đề tài trình bày vấn đề kỹ thuật ROF, từ mở rộng nghiên cứu sâu hơn, chi tiết để đưa vào sử dụng hiệu thực tế truyền thông lịng đất xa thành cơng áp dụng để vận hành ngành cơng nghiệp khai thác khống sản, giúp người điều khiển, giám sát xử lý kịp thời gặp cố, tai nạn SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 95 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quốc Cường(2009), Kỹ thuật thông tin quang 1, Học viện cơng nghệ bưu viễn thông, Hà Nội [2] Nguyễn Lê Nguyên Bảo(2012), Nghiên cứu kỹ thuật Radio over Fiber hệ thống không dây băng rộng, Luận văn, Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng [3] Nguyễn Trần Hồng Giang(2013), Nghiên cứu tính hệ thống ROF sử dụng kỹ thuật OFDM, Luận văn Thạc sỹ, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, Hà Nội [4] Thái Hồng Nhi(2006), Trường điện từ truyền sóng anten, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Tp.Hồ Chí Minh [5] Trần Thị Bích Ngọc(2009), Bài giảng anten truyền sóng, Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Tp.Hồ Chí Minh [6] D Wake(2002), Radio over Fiber Systems for Mobile Applications, Artech House, USA [7] Hamed Al-Raweshidy(2010), Optical Fibre Technologies and Radio over Fibre Strategic Research for Future Networks, Emobility Technology Platform, West London [8] Sabit Farizma Iftekhar(2009), Radio over Fiber transmission by subcarrier multiplexing, BRAC University, Dhaka- Bangladesh [9] Ths.Đặng Thế Ngọc, Công nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang, 3/2013, http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-cong-nghe-truyen-song-vo-tuyen-qua-soi-quang-rof5094/ [10] Nguyễn Ngọc Minh, Tổng quan truyền dẫn quang, 5/2013, http://luanvan.net.vn/luan-van/luan-van-tong-quan-ve-truyen-dan-quang-24861/ SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 96 MSSV:0951040038 Kỹ thuật truyền dẫn ROF GVHD:Ths.Phạm Thúy Oanh PHỤ LỤC Hàm Bessel loại giải đáp phương trình vi phân: Mặc dù hàm Bessel định nghĩa cho tất trị giá n, ta quan tâm đến số nguyên thực dương âm Với trị nguyên n, J-n(x) = (-1)n Jn(x) Hình Một số hàm Bessel loại Hình vẽ Jn cho trị n = 0, 1, 2, 3, 4, Với x nhỏ, J0(x) tiến đến lúc J1(x) J2(x) tiến đến zero Hàm Bessel n trở nên lớn - Khi n âm, hàm trở nên dao động không tắt( under damped oscillator ) - Với trị n dương, ta lưu ý đến tính đối xứng - Một quan sát quan trọng là, với n > 9, hàm Bessel tiến đến tiệm cận với zero Thật vậy, với n cố định beta lớn, hàm Bessel tính xấp xỉ bởi: Trong T (n+1) hàm Gamma SVTH: Hồ Lê Lợi Trang 97 MSSV:0951040038