kỹ thuật ofdm trong hệ thống thông tin quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGUYỄN THANH TÚ KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG & MẠNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. ThS. Đặng Lê Khoa 2. ThS. Nguyễn Anh Vinh Tp. Hồ Chí Minh – năm 2010 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang ii LỜI CẢM ƠN ời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô tại khoa Điện tử-Viễn thông cũng nhƣ ở trƣờng ĐH – Khoa Học Tự Nhiên Tp HCM đã ngày đêm dạy dỗ, cung cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn chúng em sẽ đƣợc trang bị một hành trang tốt nhất trƣớc khi bƣớc vào đời. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo ThS. Đặng Lê Khoa, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn và cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu quý giá, hƣớng dẫn chi tiết các bƣớc xây dựng mô hình mô phỏng giúp em hoàn thành đƣợc đồ án này. Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS. Nguyễn Anh Vinh, đồng hƣớng dẫn, cũng cung cấp cho em rất nhiều tài liệu, kiến thức và sự góp ý quý báu trong quá trình thực hiện đồ án. Con xin gửi lời cảm ơn đến Mẹ, ngƣời luôn động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình học tập, cũng nhƣ quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này của con. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, những ngƣời luôn dành cho tôi sự yêu thƣơng và luôn cổ vũ, động viên tôi trong những lúc khó khăn nhất. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhƣng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô cùng các bạn. Tp HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Tú L Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3 1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 4 1.3 Ý TƢỞNG ĐỀ TÀI 6 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 7 2.1 TÓM TẮT LỊCH SỬ OFDM 7 2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM 7 2.2.1 Ý tƣởng 7 2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số 9 2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 10 2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial 10 2.3.2 Bộ Mapper và Demapper 11 2.3.3 Bộ IFFT và FFT 12 2.3.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI 14 2.3.5 Bộ Up-Converter và Down-Converter 18 2.3.6 Bộ cân bằng (Equalizer) 18 2.3.7 Dung lƣợng của hệ thống OFDM 19 2.4 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM 19 2.4.1 Ƣu điểm 19 2.4.2 Nhƣợc điểm 20 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang iv CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21 3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21 3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG . 22 3.2.1 Bộ phát quang 22 3.2.2 Bộ thu quang 29 3.2.3 Kênh truyền quang 31 3.2.4 Bộ khuếch đại quang 33 3.3 CÁC HIỆU ỨNG TRUYỀN DẪN 36 3.3.1 Các hiệu ứng tuyến tính 36 3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến 40 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 43 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDM TRÊN KÊNH TRUYỀN SỢI QUANG 46 4.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERRENT 46 4.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF 47 4.3 BỘ PHÁT QUANG 48 4.4 BỘ THU QUANG 49 4.5 HỆ THỐNG COHERRENT OFDM (CO-OFDM) 50 4.5.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang 51 4.5.2 Kỹ thuật tách sóng Coherrent 52 4.6 TỈ SỐ BIT LỖI BER TRONG HỆ THỐNG CO-OFDM 54 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 56 5.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM VÀ CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG 56 5.1.1 Bộ phát 57 5.1.2 Mô phỏng kênh truyền sợi quang 64 5.1.3 Bộ thu quang coherrent 70 5.1.4 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng BER từ eye diagram 75 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang v 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 77 5.2.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s 77 5.2.2 Hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s 78 5.2.3 Hệ thống CO – OFDM loại bỏ khoảng bảo vệ 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 84 6.1 KẾT LUẬN 84 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4G 4 th Generation ADC Analog Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line APD Avalanche-Photo-Diode ASE Amplified Spontaneous Emission noise ASK Amplitude-Shift Keying BER Bit Error Ratio BPSK Binary Phase Shift Keying BW BandWidth CD Chromatic Dispersion CO-OFDM Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Mutilplexing CP Cyclic Prefix DAB Digital Audio Broadcasting DAC Digital to Analog Converter DCF Dispersion-Compensating Fibers DD Direct Detector DFB Distributed Feedback Lasers DFT/IDFT Discrete Fourier Transform/ Invert Discrete Fourier Transform DGD Differential Group Delay DM Direct Modulator DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestria DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier FEC Forward Error Correction Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang vii FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT FSK Frequency-Shift Keying FWM Four-Wave Mixing GI Graded-Index Fibers GI Guard Interval GVD Group Velocity Dispersion I Inphase ICI Inter-Carrier Interference IM Intensity Modulator ISI Inter-Symbol Interference LAZER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LED Light Emitting Diode MCM Multi-carrier Modulator MZM Mach-Zehnder Modulator NLSE Non Linear Schrödinger Equation OFA Optical Fiber Amplifier OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM Orthogonal Frequency Division Mutilplexing P/S Parallel to Serial converter PAPR Peak-to-Average Power Ratio PMD Polarization Mode Dispersion PSK Phase-Shift Keying Q Quadrature QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service R Responsivity RCP Remove Cyclic Prefix Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang viii RF Radio Frequency Rx Receiver S Sensitivity S/P Serial to Parallel converter SBS Stimulated Brillouin Scattering SCM Single-Carrier Modulator SI Step-Index Fibers SNR Signal to Noise Ratio SOA Optical Semiconductor Amplifier SOA Optical Semiconductor Amplifier SPM Self-Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering Tx Transmitter VHDSL Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language VLSI Very Large Scale Integration WDM Wavelength Division Multiplexing XPM Cross-Phase Modulation Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang ix DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hinh 1. 1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang 4 Hình 1. 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa 5 Hình 2. 1 Các sóng mang con trong miền thời gian và tần số 9 Hình 2. 2 Phổ các sóng mang con trực giao 10 Hình 2. 3 Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống OFDM trong miền RF 10 Hình 2. 4 Bộ S/P và P/S 11 Hình 2. 5 Bộ Mapper và Demapper 11 Hình 2. 6 Bộ IFFT và FFT 12 Hình 2. 7 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 14 Hình 2. 8 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ 15 Hình 2. 9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng 16 Hình 2. 10 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix 16 Hình 2. 11 Bộ A/D và D/A 17 Hình 2. 12 Bộ Up-Converter và Down-Converter 18 Hình 3. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang 22 Hình 3. 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang 23 Hình 3. 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng 25 Hình 3. 4 Cấu trúc của Lazer DFB 26 Hình 3. 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator 27 Hình 3. 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11] 28 Hình 3. 7 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi 28 Hình 3. 8 Sơ đồ khối bộ thu quang 29 Hình 3. 9 Cáp sợi quang 32 Hình 3. 10 (a) sợi đơn mode, (b) sợi đa mode SI, (c) sợi đa mode GI 32 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang x Hình 3. 11 (a) sợi SI, (b) sợi GI 33 Hình 3. 12 (a) Cấu trúc chung bộ khuếch đại, (b) cấu trúc bộ EDFA 34 Hình 3. 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang 37 Hình 3. 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bƣớc sóng quang 37 Hình 3. 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang 38 Hình 3. 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bƣớc sóng 40 Hình 3. 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến 41 Hình 3. 18 Nguyên tắc tính BER dựa vào phân bố xác suất của bit „1‟ và bit „0‟ 44 Hình 4. 1 Mô hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát 47 Hình 4. 2 Mô hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu 48 Hình 4. 3 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM 49 Hình 4. 4 Mô hình bộ thu quang kết hợp 50 Hình 4. 5 Mô hình hệ thống CO-OFDM 51 Hình 4. 6 Tách sóng Cohereent Homodyne 54 Hình 5. 1 Mô hình hệ thống CO – OFDM 57 Hình 5. 2 Bộ phát quang 57 Hình 5. 3 Điều chế tín hiệu OFDM 58 Hình 5. 4 Tốc độ lấy mẫu thiết lập 24 GHz [Matlab Simulink] 59 Hình 5. 5 Tốc độ hệ thống là 48 Gb/s sử dụng phép điều chế QAM 59 Hình 5. 6 Sử dụng IFFT để tạo tín hiệu OFDM [Matlab Simulink] 60 Hình 5. 7 Phần thực và phần ảo của tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT 61 Hình 5. 8 Biểu diễn tín hiệu thực và ảo OFDM rời rạc trong miền thời gian 61 Hình 5. 9 Phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM 62 Hình 5. 10 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM 63 Hình 5. 11 Bộ điều chế pha – phase modulator 63 Hình 5. 12 Bộ dịch pha – phase shift block 64 Hình 5. 13 Mô hình kênh truyền quang 65 [...]... 0620111 Trang 6 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thơng tin quang CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO Chƣơng này trình bày ngun tắc hoạt động của kỹ thuật OFDM, các thành phần trong hệ thống vơ tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM Cuối chƣơng, đề tài phân tích ƣu điểm và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM 2.1 TĨM TẮT LỊCH SỬ OFDM Mặc dù kỹ thuật OFDM đƣợc phát minh từ những năm 1950, nhƣng hệ thống khơng thể... cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang 1.1 Q TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Các hệ thống thơng tin đƣợc hiểu một cách đơn giản nhất là các hệ thống nhằm truyền tín hiệu từ đầu này đến đầu kia và các hệ thống truyền thơng quang cũng khơng nằm ngồi ngun lý cơ bản đó Hệ thống thơng tin quang là hệ thống sử dụng ánh sáng để truyền tải thơng tin Các hệ thống này đƣợc... OFDM vào hệ thống thơng tin quang Theo SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 21 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thơng tin quang đó, chƣơng này đề tài trình bày những đặc tính cơ bản của một hệ thống thơng tin quang điển hình, đi vào phân tích một số ảnh hƣởng của kênh truyền quang lên tín hiệu quang đƣợc truyền trong nó, và cuối cùng đƣa ra phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng cho hệ thống thơng tin quang 3.2... Thanh Tú – 0620111 Trang 20 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thơng tin quang CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Nội dung chƣơng này chủ yếu tập trung vào phân tích các thành phần cơ bản của một hệ thống thơng tin sợi quang bao gồm bộ phát quang, sợi quang, và bộ thu quang Bên cạnh đó, trong chƣơng này đề tài sẽ trình bày các ảnh hƣởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang truyền trên nó Cuối cùng,... 0620111 Trang 2 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thơng tin quang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung chính của chƣơng 1 trình bày sơ lƣợc q trình phát triển của hệ thống thơng tin quang, cũng nhƣ tiềm năng của các hệ thống truyền dẫn quang trong tƣơng lai Bên cạnh đó, trong chƣơng cũng trình bày một cách tổng quan những đặc điểm nổi trội của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Đây là cơ sở... còn làm giảm tốc độ của hệ thống Kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trƣớc khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi sẽ làm cho thời gian mỗi symbol đƣợc kéo dài thêm, từ đó có thể giảm đƣợc ảnh hƣởng của tán sắc trong sợi quang Mục tiêu của đề tài là ứng dụng kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang Đây là sự kết hợp những ƣu điểm của cả kỹ thuật OFDM và hệ thống thơng tin quang Nội dung đề tài bao... của kỹ thuật OFDM và kênh truyền sợi quang Bên cạnh đó, trong chƣơng này đề tài cũng nêu lên ý tƣởng chính  Chƣơng 2 trình bày các vần đề lý thuyết cơ bản của kỹ thuật ghép kênh OFDM  Chƣơng 3 trình bày chi tiết một hệ thống thơng tin quang đơn kênh điển hình, từ đó đi vào phân tích các ảnh hƣởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang  Chƣơng 4 trình bày về hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM. .. Trang 4 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thơng tin quang có tốc độ cao bằng cách truyền dữ liệu trên nhiều luồng song song có tốc độ thấp hơn OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao, khơng những đáp ứng đƣợc với hệ thống tốc độ cao mà còn sử dụng phổ tần hiệu quả do tính trực giao giữa các sóng mang con [1] Hình 1 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa OFDM là một kỹ thuật. .. các hệ thống truyền thơng quang đều sử dụng Lazer Tốc độ bit có thể đạt đƣợc khi sử dụng nguồn quang Lazer trong các hệ thống Viễn thơng hiện nay là 40 Gb/s/channel  Nguồn quang Loại nguồn quang đƣợc sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn Nhƣ đã đề cập trên, có hai loại nguồn quang đƣợc sử dụng chính đó là LED và SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 23 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống. .. của hệ thống CO -OFDM và hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF 79 Hình 5 30 BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn khơng áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO -OFDM và hệ thống đơn sóng mang 80 Hình 5 31 Giản đồ chòm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO -OFDM khi loại bỏ các khoảng „zero‟ 82 Hình 5 32 BER của hai hệ thống CO-OFDM . CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21 3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 21 3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG . 22 3.2.1 Bộ phát quang 22 3.2.2 Bộ thu quang 29 . số trực giao OFDM. Đây là cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang. 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Các hệ thống thông tin đƣợc hiểu. 18 2.3.7 Dung lƣợng của hệ thống OFDM 19 2.4 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM 19 2.4.1 Ƣu điểm 19 2.4.2 Nhƣợc điểm 20 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh