Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng hệ thống DWDM sử dụng CO-OFDM

Nghiên cứu lý thuyết về OFDM, CO-OFDM và DWDM, dùng phần mềm Optisystem để mô phỏng một hệ thống DWDM sử dụng phương pháp điều chế CO-OFDM, đánh giá khả năng nâng cao dung lượng đường tr

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

LÝ THUYẾT VỀ DWDM

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplex) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại hay còn gọi là ghép kênh để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau [17, 18]

Hình 2.1: Sơ đồ m ộ t h ệ th ống DWDM điể m- điểm đơn giả n

WDM được chia làm 3 loại:

 DWDM: (Dense Wavelength Division Multiplexing): Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao là công nghệ được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng truyền dẫn quang đường dài đến hàng ngàn cây số Trong các băng tần quang thì hệ thống DWDM chỉ hoạt động ở băng tần C và L của cửa sổ quang Trong các băng tần, khoảng cách kênh được ITU-T qui định có thể là 200GHz (40 kênh), 100GHz (80 kênh) và 50GHz (160 kênh)

 CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là một công nghệ WDM sử dụng số bước sóng ít hơn với một khoảng cách kênh rộng hơn

Công nghệ CWDM chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng truyền dẫn tầm ngắn, rẻ tiền

 FWDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng bộ lọc là công nghệ WDM đơn giản, phân chia băng tần truyền dẫn vào hai băng tần phụ Công nghệ này không có nhu cầu đặc biệt để ổn định tín hiệu phát (so với CWDM và đặc biệt là DWDM) mặc dù các bộ lọc cần phải đủ rộng cho nên ít được sử dụng

Hình 2.2: L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a WDM [22]

2.2.2 Cửa sổ làm việc quang của hệ thống WDM

Công nghệ WDM sử dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm vì tại tại khoảng bước sóng này, tín hiệu suy giảm thấp nhất khi truyền qua sợi quang

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 17

Hình 2.3: Băng tầ n truy ề n d ẫ n và suy hao c ủ a s ợ i quang t ại các bướ c sóng [17]

2.2.3 Các băng tần của hệ thống WDM

Khoảng bước sóng của cửa sổ quang được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như bảng sau:

B ảng 2.1: Các băng tần truyền dẫn của lưới ITU -T

TT Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm) 1 Băng O Original 1260-1360

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm [17, 18]:

- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau Ví dụ:

- Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao

- Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc

- Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

Suy hao trên sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Ảnh hưởng của nó có thể được tính như sau: công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang có chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào Pin như sau:

P out = P in e -αL (2.1) với α là suy hao sợi quang

Hình 2.4: Khái ni ệ m suy hao trong s ợ i quang

Thường suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km, vì vậy suy hao αdB dB/Km có nghĩa là tỉ số Pout trên Pin đối với L = 1 Km thỏa mãn:

10log 10 [P out /P in ] = - α dB hoặc α dB = (10 log 10 e)α ≈ 343.4α (2.2)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 19

Thường thì suy hao sợi được gán giá trị dương do đó tổng quát hệ số suy hao được xác định bằng công thức như sau:

Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là: do hấp thụ, do tán xạ tuyến tính và do uốn cong

 Suy hao do hấp thụ

Bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết

 Hiện tượng tự hấp thụ

Các nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng Tức là, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ hoặc hầu như không suy hao Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ có hiện tương cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng

 Hiện tượng hấp thụ do tạp chất

Nếu vật liệu chế tạo thuần túy tinh khiết thì ánh sáng truyền qua không bị suy hao Thực tế, vật liệu chế tạo hoàn toàn không tinh khiết, mà lẫn các ion kim loại (Fe, Cu, Cr, ), và đặc biệt là các ion OH - của nước (H2O)

 Suy hao do tán xạ tuyến tính

Tán xạ tuyến tính trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Ngoài ra, do thuỷ tinh được tạo ra từ các loại oxit như: SiO2, GeO2, P2O5 nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ Tán xạ tuyến tính làm cho năng lượng quang từ một mốt lan truyền được truyền tuyến tính (tỉ lệ thuận với công suất mốt) sang một mốt khác Quá trình này làm suy hao công suất quang được truyền đi vì công suất được truyền sang một mốt rò hay mốt bức xạ là những mốt không tiếp tục lan truyền trong lõi sợi quang mà bức xạ ra khỏi sợi Tán xạ tuyến tính sẽ không làm thay đổi tần số tán xạ Tán xạ tuyến tính thường được phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie

Xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ hơn bước sóng trong sợi quang làm cho tia sáng bị tỏa ra nhiều hướng Hệ số tán xạ Rayleigh được tín như sau:

Trong đó: γR: hệ số tán xạ Rayleigh, λ: bước sóng quang được tính bằng mét (m), n: chiết suất môi trường, p: hệ số quang đàn hồi trung bình, βc: độ nén đẳng nhiệt (đơn vị là (m2/N) tại nhiệt độ TF ( đơn vị là K) quy định (fictive temperature),

Hệ số tán xạ Rayleigh liên hệ với hệ số suy hao truyền dẫn (transmission loss factor) như sau:

Với L là độ dài sợi quang (đo bằng mét)

Hệ số suy hao truyền dẫn trên một kilometre sẽ là L km với L = 1000 (mét) Do đó hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh sẽ là:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 21 α(dB/km)log 10 (1/ L km) (2.6)

Tán xạ Rayleigh là hiện tượng xảy ra khi có sự không đồng nhất kích thước nhỏ, tương ứng với bước sóng (lớn hơn 1/10), lan truyền trong sợi quang theo hướng lan truyền chính Biện pháp hạn chế tán xạ Rayleigh bao gồm việc loại bỏ tạp chất trong quá trình sản xuất thủy tinh, kiểm soát chặt chẽ quá trình kéo và bọc sợi quang, đồng thời tăng độ lệch chiết suất tương đối.

Hình 2.5: Suy hao trong s ợi quang theo các bướ c sóng khác nhau

Trong quang thông tin, có ba dải bước sóng (cửa sổ) có suy hao thấp, gồm: 0,8 μm, 1,3 μm và 1,55 μm, tương ứng với suy hao cơ bản là 2,5 dB/km, 0,4 dB/km và 0,25 dB/km Ở dải bước sóng 1,55 μm với suy hao thấp chỉ 0,25 dB/km, tín hiệu có thể truyền đi trên khoảng cách rất xa, lên đến 80-120 km trước khi cần được khuếch đại hoặc tái tạo.

 Suy hao do uốn cong

Suy hao của sợi quang một cách tổng quát được phân làm hai loại: suy hao bên trong và suy hao bên ngoài Suy hao bên trong gồm suy hao hấp thụ, suy hao do tán xạ mà ta đã xét ở trên, thuộc về bản chất của sợi quang do quá trình chế tạo, công nghệ chế tạo mà ra Suy hao bên ngoài không thuộc về bản chất của sợi, là suy hao do uốn cong khi vận hành, sử dụng sợi trên thực tế

Suy hao uốn cong gồm có hai loại:

- Uốn cong vi mô: là sợi bị cong nhỏ một cách ngẫu nhiên, trường hợp này thường xảy ra khi sợi được bọc thành cáp

TỔNG QUAN VỀ CO-OFDM TRONG THÔNG TIN QUANG

Phần này trình bày nguyên lý cơ bản, mô hình toán học của kỹ thuật OFDM, các thành phần trong hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật CO-OFDM và phân tích ưu - nhược điểm của kỹ thuật OFDM

2.2.1 Tóm tắt lịch sử OFDM [8]

Mặc dù kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 1960, nhưng hệ thống không thể thực hiện vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc thực hiện hệ thống chưa phát triển

Hình 2.28: L ị ch s ử phát tri ể n c ủ a OFDM [8]

Sau khi được phát minh 20 năm, kỹ thuật OFDM trở nên dễ dàng thực hiện và tiết kiệm chi phí nhờ phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Giống như CDMA, OFDM ban đầu được sử dụng trong quân sự Vào những năm 1980, OFDM được nghiên cứu cho modem tốc độ cao và truyền thông di động Đến những năm 1990, OFDM được áp dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL và sau đó là phát thanh số DAB, truyền hình số DVB.

Những năm gần đây kỹ thuật OFDM đã được sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 45 Đến khoảng năm 2005 đến nay, kỹ thuật OFDM đang được nghiên cứu áp dụng trong thông tin quang

Mặc dù OFDM có rất nhiều ưu điểm và đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến nhưng gần đây mới được áp dụng trong thông tin quang Một phần là do nhu cầu băng thông tăng cao trong thời gian gần đây và một phần nhờ vào kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP có khả năng xử lý dữ liệu bit tốc độ cao của thông tin quang [8]

2.2.2 Nguyên lý cơ bản OFDM [5]

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh truyền đơn

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó một tín hiệu được tách ra làm nhiều băng hẹp tại những tần số khác nhau, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành những luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, truyền trên những sóng mang con trực giao

Hình 2.29: Ph ổ tín hi ệ u OFDM

Trong hệ thống FDM cũ, toàn bộ dải tín hiệu tần số được chia thành N kênh không chồng lấn nhau, ở giữa các kênh này là khoảng bảo vệ để tránh được chồng phổ qua đó loại bỏ được nhiễu xuyên kênh Nhưng làm như vậy thì lãng phí băng thông OFDM đã giải quyết được vấn đề này bằng cách sử dụng dữ liệu song song kết hợp và FDM với các kênh phụ trực giao chồng lấn lên nhau Trong đó mỗi kênh phụ mang một tốc độ dữ liệu được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (High Speed Equalization), chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng hoàn toàn dải thông có sẵn

Để tách các tín hiệu từ các kênh tần số con chồng lấp, OFDM sử dụng kỹ thuật đa kênh trực giao tần số (OFDM) Điều này yêu cầu duy trì tính trực giao của các kênh để đảm bảo khả năng tách tín hiệu chính xác và hiệu quả.

2.2.3 Mô hình toán học của OFDM [5]

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis)  i   t i / 0,1 có tính chất sau:

Như vậy ta thấy tập hợp   i   t   sin(n t c 0 ), os(n t 0 )  trực giao từng đôi một với nhau trong trên các đoạn: t0 ≤ t ≤ t0 + k2ð/ 0 với m,n ≠0 và m,n mguyên dương, nghĩa là:

Kỹ thuật OFDM chia tín hiệu mang thông tin riêng biệt vào các sóng mang con

Tín hiệu OFDM bao gồm các sóng sin cơ bản, mỗi hàm tương ứng với một sóng mang con Các sóng mang con của một tín hiệu chưa điều chế là:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 47 sin(2 0 ) ,0 ( ) 0 ,t k kf t t T

Với f0 là khoảng cách giữa các sóng mang, T là chu kỳ kí hiệu Xét tính trực giao 2 sóng mang con:

1 1 sin (2 nf )sin (2 f ) cos 2 (n-m)f cos2 (n+m)f

Với m,n ≠0 và m, n mguyên dương Chọn f0=1/T thì tích phân trên bằng 0

Vậy khi tần số ở băng gốc ở mỗi sóng mang con được chọn bằng số nguyên lần nghịch đảo của một kí hiệu (f0=1/T) thì tất cả các sóng mang con đều là bội số của chu kỳ trong mỗi tín hiệu Kết quả là sóng mang con trực giao với nhau, tín hiệu thu được không có nhiễu của các sóng mang cận kề

Với cách chọn sóng mang hình sin như trên, nếu nó không có cùng tần số thì tích phân của chúng sẽ bằng không Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi Fourier nhanh (FFT) Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế

Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởi các sóng mang ICI (Inter-Carrier- interference) cũng làm mất đi tính trực giao

Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:

Tín hiệu thực là phần thực của S c (t) Cả A c (t) và  c (t) (Biên độ và pha tương ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức S s (t) được thể hiện bởi công thức:

Với  n  0  n  Đây là một tín hiệu liên tục Nếu dạng sóng của mỗi phần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol trên một chu kỳ được xem xét thì các biến số Ac(t) và c(t) và nhận các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, như vậy có thể viết lại như sau:

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T, với T là chu kỳ lấy mẫu, thì tín hiệu nhận được viết lại:

  (2.31) Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn

Nó là thuận lợi để lấy mẫu trong một chu kỳ của một symbol dữ liệu Vì thế có mối liện hệ:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 49

Không làm mất tính tổng quát trong phương trình trên, ta đặt 0 = 0 thì tín hiệu trở thành:

Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức (2.33) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược:

Hai phương trình (2.33) và (2.34) là tương đương nhau nếu:

Điều kiện trực giao yêu cầu phương trình    (2.35) được thỏa mãn Kết quả là, tính trực giao được bảo toàn, cho phép xác định tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi Fourier.

Hình 2.30: Tín hi ệ u OFDM trong mi ề n t ầ n s ố

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM OPTISYSTEM

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp Để phân tích, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng OptiSystem là phần mềm thương mại của hãng Optiwave cho phép mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế

Ngoài ra, phần mềm này cực kỳ mở rộng vì người dùng có thể thêm vào những thành phần do chính họ xác định Phần mềm sở hữu giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan.

OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:

- Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV - Thiết kế mạng vòng SONET / SDH - Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán - Đánh giá BER và penalty của hệ thống với các mô hình bộ thu khác nhau - Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang

Một số hãng viễn thông lớn trên thế giới hiện là khách hàng sử dụng sản phẩm Optisystem:

SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG

Hình 3.1: Sơ đồ mô ph ỏ ng h ệ th ố ng DWDM s ử d ụ ng CO-OFDM

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 63

Sơ đồ mô phỏng như hình 3.1 là một hệ thống DWDM gồm 4 kênh liên tiếp có tần số là 193.0 THz, 193.1 THz, 193.1 THz, 193.1 THz Khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz

Tại đầu phát, chuỗi dữ liệu có tốc độ bit là 20Gb/s hoặc 30Gb/s, sau khi qua bộ DPSK encoder sẽ được mã hoá thành 2 thành phần I và Q, sau đó được đưa qua bộ OFDM modulator để thực hiện điều chế OFDM hai thành phần I và Q Hai tín hiệu OFDM theo hai thành phần I và Q sẽ tiếp tục được chuyển đến bộ điều chế quang Mach-Zehnder để điều chế thành tín hiệu quang là tín hiệu của một bước sóng phụ thuộc vào nguồn laser khi điều chế Mach-Zehnder và được chuyển đến bộ ghép kênh DWDM để ghép 4 bước sóng thành tín hiệu DWDM Tín hiệu này sẽ được phát ra đường truyền thông qua bộ khuếch đại EDFA đề bù tổn hao đường truyền

Tại đầu thu, tín hiệu truyền dẫn được giải ghép DWDM thành 4 bước sóng, mỗi bước sóng được giải điều chế OFDM bằng phương pháp coherent detect để thu được tín hiệu I và Q Sau đó, tín hiệu được đưa vào bộ giải mã DPSK để khôi phục dữ liệu gốc Để theo dõi mô phỏng, kênh thứ hai tương ứng với tần số 193,1 THz được chọn cho các phép đo tại các điểm A, B, C, D, E, F, G trong sơ đồ mô phỏng.

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG MÔ PHỎNG

Tương ứng với sơ đồ mô phỏng hình 3.1, ta sử dụng các thành phần cơ bản để sử dụng trong phần mềm Optisystem 11, gồm:

 Nguồn phát quang CW laser:

Trong phần mềm ta sử dụng nguồn phát có các tham số:

- Dải tần số có thể thay đổi được theo các bước sóng trong băng C của băng tần DWDM

- Trong chương trình mô phỏng thiết lập cho 4 nguồn laser tương ứng với 4 bước sóng 193.1 THz, 193.2 Thz, 193.3 THz, 193.4 THz

 Bộ tạo chuỗi bit (PRBS Generator):

Dùng để tạo chuỗi dữ liệu ngẫu nhiên tốc độ tương ứng 20 Gb/s hoặc 30 Gb/s, tuỳ theo các trường hợp mô phỏng

 Khối tạo chuỗi bit/symbol DPSK (DPSK Sequence Generator)

Thực hiện tách chuỗi dữ liệu ngõ vào thành các symbol DPSK với các tham số:

- Với 2 bit/symbol, Phase offset 90 0

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 65

 Máy phân tích phổ quang Optical Spectrum Analyzer:

Dùng để phân tích phổ quang tại điểm phát sau khi qua bộ ghép kênh DWDM hoặc tại đầu thu trước khi qua bộ Demux DWDM

 Bộ điều chế OFDM (OFDM Modulator)

Trong chương trình mô phỏng, khối điều chế OFDM có nhiệm vụ:

- Thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu vào từ nối tiếp sang song song để gán dữ liệu cho các sóng mang con

- Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) để tìm các dạng sóng tương ứng trong miền thời gian

- Thực hiện chèn CP (khoảng bảo vệ) tại đầu mỗi symbol OFDM

- Tham số The Number of prefix point cho biết bao nhiêu điểm FFT sử dụng cho khoảng thời gian bảo vệ

- Sau đó chuỗi dữ liệu song song được biến đổi từ số sang analog rồi chuyển thành chuỗi nối tiếp Đó là tín hiệu sau khi thực hiện điều chế OFDM

Hình 3.2: Sơ đồ kh ố i b ộ điề u ch ế OFDM

 Bộ điều chế quang LiNb Mach-Zehnder

- Thực hiện điều chế tín hiệu quang cho tín hiệu sau khi thực hiện điều chế OFDM hai thành phần I và Q

- Sau đó tín hiệu sau khi điều chế hai thành phần I và Q sẽ được kết hợp lại nhờ bộ Power combiner để đưa đến bộ ghép kênh DWDM

 Bộ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Mux 4x1

- Thực hiện ghép 4 kênh trong dãy tần số băng C với khoảng cách kênh 100 GHz theo tiêu chuẩn ITU-T

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 67

 Bộ khuếch đại quang EDFA (Optical Amplifier EDFA)

- Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu quang để bù tổn hao đường truyền

- Độ lợi khuếch đại 20 dB, Noise figure 4 dB

- Môi trường truyền dẫn tín hiệu Sử dụng loại sợi quang đơn mốt SMF có các tham số:

 Tán sắc CD 16 ps/nm/km, độ dốc tán sắc 0.075 ps/nm 2 /km

 Suy hao sợi trung bình 0.2 dB/km

 Hệ số trễ nhóm DGV 0.2 ps/km

- Điều khiển để tăng chiều dài tuyến quang thiết kế, có chiều dài bằng số loop nhân cho chiều dài một chặng quang

 Bộ giải ghép kênh DWDM Demux 1x4

- Thực hiện giải ghép tín hiệu DWDM thu được từ đường truyền quang thành 4 bốn sóng khác nhau tương ứng các bước sóng tại bộ ghép kênh DWDM

- Thực hiện phát hiện tín hiệu quang, lượng tử thành tín hiệu điện để chuyển thành 2 chuỗi tín hiệu OFDM tương ứng với hai thành I và Q sau đó chuyển đến bộ giải điều chế OFDM

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 69

- Trong phương pháp này sử dụng Coherent detect nên cần một nguồn laser CW có tần số đúng với tần số tại đầu phát để tách thu tín hiệu

 Bộ giải điều chế OFDM

- Khối này thực hiện các công việc ngược với khối điều chế OFDM

 Khối giải mã tuần tự DPSK

Ghép hai tín hiệu thu được sau bộ giải điều chế OFDM tương ứng với thành phần I và Q sẽ giúp khôi phục chuỗi dữ liệu ban đầu Bằng cách kết hợp hai thành phần này, hệ thống có thể tái tạo tín hiệu truyền ban đầu, đảm bảo truyền dữ liệu chính xác và đáng tin cậy.

 Máy phân tích bit lỗi (BER Analyzer)

- So sánh chuỗi dữ liệu phát đi và chuỗi dữ liệu thu được sau khi qua đường truyền qua để tính toán tỉ số lỗi bit.

CÁC TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

 Tốc độ chuỗi bit: 20 Gb/s

 Phương pháp điều chế các sóng mang con DPSK 2 bit/symbol

 Chiều dài thiết kế của một chặng quang 80-110 km

 Suy hao trung bình của sợi quang SMF là 0.2 dB/km

 Bộ khuếch đại EDFA có độ lợi Gain là 20dB

 Bộ tiền khuếch đại PreAmlifier có độ lợi là 3 dB

 Hệ số tán sắc màu CD của đường truyền quang là 16 ps/nm/km

 Hê số vận tốc trễ nhóm DGV của đường truyền quang 0.2 ps/km

 Số sóng mang con Subcarrier của bộ điều chế OFDM là 512

 Số điểm FFT dùng cho khoảng bao vệ là 64

 Bộ ghép kênh quang DWDM gồm 4 bước sóng, mỗi bước sóng thuộc băng C của lưới ITU, có khoảng cách là 100 GHz, lần lượt là 193.0 THz, 193.1 THz, 193.2 THz và 193.3 THz

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 71

 Theo mô phỏng, chọn ngẫu nhiên bước sóng có tần số 193.1 THz để kiểm tra kết quả

 Sơ đồ mô phỏng như hình 3.1, các thành phần sử dụng không thay đổi, chỉ thay đổi các tham số để đánh giá tín hiệu tại đầu thu

3.4.2 Trường hợp 1: 4 bước sóng tốc độ bit 20Gb/s

Dùng phần mềm Optisystem Version 11.0 thực hiện thiết kế tuyến như sơ đồ hình 3.1 Thiết lập các tham số toàn cục có giá trị như ở phần 3.4.1 Tại các điểm A, B, C, D, E, F, G như trong sơ đồ ta đặt các máy đo để theo dõi các giá trị mô phỏng:

- Điểm A: Máy hiển thị chòm sao sau khi tín hiệu qua bộ mã hoá DPSK

- Điểm B: Máy phân tích phổ thành phần I sau khi qua bộ điều chế OFDM

- Điểm C: Máy phân tích phổ quang tín hiệu OFDM sau khi qua bộ kếch hợp và điều chế quang trước khi vào bộ Mux DWDM

- Điểm D: Máy phân tích phổ tín hiệu DWDM sau khi ra khỏi bộ ghép kênh DWDM

- Điểm E: Máy phân tích phổ tín hiệu DWDM sau khi thu được từ đường truyền trước khi thực hiện giải ghép DWDM

- Điểm F: Máy hiển thị chòm sao sau khi tín hiệu được giải điều chế OFDM

- Điểm G: Máy đo BER để tính toán BER của tín hiệu sau khi truyền qua đường truyền

Thực hiện mô phỏng và chạy chương trình, cho giá trị chiều dài tuyến thay đổi từ 85 km đến 110 km, sao lưu kết quả để vẽ đặc tuyến BER theo chiều dài

Sau đây là kết quả sau khi chương trình chạy quét hết chiều dài tuyến từ 85km đến 110km

 Chòm sao c ủ a tín hi ệ u t ạ i điể m A c ủa sơ đồ mô ph ỏ ng

Hình 3.3: Sơ đồ chòm sao c ủ a tín hi ệ u sau b ộ mã hoá DPSK t ại điể m A

Hình 3.3 cho thấy biên độ các giá trị của chuỗi dữ liệu vào sau khi được mã hoá DPSK tách thành hai thành phần I và Q Trục tung là biên độ của thành phần Q, trục hoành thể hiện biên độ của thành phần I Tại đầu phát, do chưa qua đường truyền nên các thành phần Q và I đều nằm trên trục tung và trục hoành, không có sự sai lệch về pha của tín hiệu

 Ph ổ c ủ a tín hi ệ u sau nhánh I c ủ a b ộ điề u ch ế OFDM t ại điể m B

Hình 3.4: Ph ổ c ủ a tín hi ệ u sau nhánh I c ủ a b ộ điề u ch ế OFDM t ại điể m B

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 73

Hình 3.4 cho thấy tín hiệu tại ngõ ra một nhánh I của bộ điều chế, hoàn toàn khớp với phổ tín hiệu OFDM theo lý thuyết

Hình 3.5: Ph ổ quang sau b ộ k ế t h ợ p 2 b ộ điề u ch ế Mach- Zehnder t ại điể m C

Hình 3.5 cho thấy phổ quang của tín hiệu OFDM sau khi qua bộ điều chế Mach-Zehnder và kết hợp hai thành phần I và Q Trục tung là biên độ của tín hiệu OFDM, trục hoành là tần số của tín hiệu OFDM

Hình 3.6: Ph ổ tín hi ệ u quang sau b ộ ghép kênh DWDM (Mux 4 channel) trướ c kh i phát ra đườ ng truy ề n quang t ại điể m D

Hình 3.6 cho thấy phổ tín hiệu quang của hệ thống DWDM 4 kênh tại đầu phát, trục tung là biên độ phổ của các bước sóng, trục hoành là tần số của các bước sóng, tại đầu phát tín hiệu chưa qua đường truyền nên chưa xuất hiện nhiễu Tỉ số OSNR của các bước sóng theo đó tương đương mức công suất đỉnh trừ mức công suất vai [22-23]

Hình 3.7: Ph ổ tính hi ệ u DWDM t ại đầ u thu sau khi qua tuy ế n quang có chi ề u dài 110 km t ại điểm E trong sơ đồ mô ph ỏ ng

Hình 3.7 cho thấy phổ tín hiệu quang của hệ thống DWDM 4 kênh tại đầu thu, trục tung là biên độ phổ của các bước sóng, trục hoành là tần số của các bước sóng, tại đầu thu tín hiệu đã được truyền qua đường truyền nên đã xuất hiện nhiễu Tỉ số OSNR của các bước sóng theo đó tương đương mức công suất đỉnh trừ mức công suất vai [22-23]

Sau khi qua đường truyền tín hiệu bị tổn hao và làm giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang từ 55dB xuống còn 25dB

 Đặ c tuy ế n BER c ủ a kênh th ứ hai sau khi truy ề n qua 85-110km

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 75

Hình 3.8: Đặ c tuy ế n BER c ủ a kênh th ứ hai sau khi truy ề n qua 1 ch ặ ng quang có chi ề u dài thay đổ i t ừ 85-110 km.Giá tr ị đo đặ t t ại điể m G c ủa sơ đồ mô ph ỏ ng

Hình 3.8 cho thấy đặc tuyến BER của kênh thứ hai với tốc độ bit 20Gb/s sau khi truyền qua đường truyền có chiều dài tuyến thay đổi từ 85 đến 110 km Các giá trị chiều dài nhỏ hơn 85 km đều có BER = 0 nên ta không quan tâm Theo hình vẽ tại giá trị chiều dài tuyến 93.5 km bắt đầu xuất hiện BER = 10 -1000 ; tại giá trị chiều dài tuyến bằng 96 km, BER = 10 -120 ; tại giá trị chiều dài tuyến bằng 100 km, BER 10 -40 ; tại chiều dài tuyến bằng 110 km ta có BER đạt 10 -10

Như vậy với tốc độ bit của mỗi bước sóng là 20Gb/s ta có thể truyền được qua đường truyền có chiều dài trên 100 km vẫn đáp ứng được giá trị BER < 10 -12 tương ứng với tiêu chuẩn Việt nam về BER của một đường truyền quang [30] Với phương pháp thiết kế như trên thì hệ thống DWDM theo mô phỏng hoàn toàn không sử dụng phương pháp bù tán sắc và hầu như không bị ảnh hưởng của CD, PMD khi các giá trị tán sắc của đường truyền thay đổi theo chiều dài tuyến

 Đặ c tuy ế n BER c ủ a kênh th ứ hai sau khi truy ề n qua 500 km Để kiểm tra chất lượng của đường truyền, cự ly tối đa cần lặp tái tạo tín hiệu ta cho truyền qua chiều dài tuyến 500 km với 5 chặng quang, mỗi chặng có chiều dài

100 km, ở giữa là các trạm lặp để khuếch đại tín hiệu, ta có đặc tuyến BER như hình 3.9

Hình 3.9: Đặ c tuy ế n BER c ủ a kênh th ứ hai sau khi truy ề n qua 500 km

Theo hình 3.9, khi truyền tín hiệu có tốc bộ 20Gb/s qua đường truyền khoảng cách 500 km thì BER đạt 10 -12 khi truyền qua 250 km Sau khi qua 500km thì BER

= 1 Do đó nếu các tuyến quang có chiều dài trên 250km thì sau mỗi 250 km cần phải thực hiện tái tạo tín hiệu (3R)

Phương pháp CO-OFDM trong DWDM cho phép khoảng cách truyền dẫn lên đến 250km mà không cần sử dụng các biện pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn như mã sửa lỗi FEC hoặc thuật toán nội suy So sánh với các tuyến truyền dẫn thông thường, khoảng cách truyền dẫn tối đa chỉ khoảng 200km trước khi cần có trạm tái tạo tín hiệu.

Thực hiện các thành phần theo sơ đồ tuyến như trường hợp sử dụng 4 lamdas 20Gb/s, chỉ thay đổi tốc bộ bit của mỗi bước sóng từ 20Gb/s lên 30Gb/s để đánh giá

Chương 3: Mô phỏng và kết quả 77 khả năng nâng cao dung lượng đường truyền của hệ thống Cho chiều dài tuyến thay đổi từ 80 km đến 110 km, đánh giá tỉ số lỗi bit tại đầu thu

Chạy mô phỏng và cho giá trị chiều dài tuyến thay đổi trong khoảng từ 80 km đến 110 km Lưu kết quả của các trường hợp có được sau mỗi lần mô phỏng để có thể vẽ đặc tuyến BER theo chiều dài tuyến.

 Ph ổ c ủ a tín hi ệ u DWDM t ại đầu phát, đo tại điể m D

Hình 3.10: Ph ổ tín hi ệ u quang sau b ộ ghép kênh DW DM (Mux 4 channel) trướ c khi phát ra đườ ng truy ề n quang t ại điể m D c ủa sơ đồ mô ph ỏ ng

Hình 3.10 cho ta thấy phổ của các bước sóng sau khi nâng tốc độ của các bước sóng từ 20Gb/s lên 30Gb/s, ta thấy phổ của tín hiệu tại đầu phát rộng hơn trường hợp 20Gb/s Trục tung là biên độ của các bước sóng, trục hoành là tần số của các bước sóng

NHẬN XÉT, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

NHẬN XÉT

Qua kết quả mô phỏng như trên, ta có nhận xét sau:

Mặc dù không sử dụng thuật toán sửa lỗi FEC trong mô phỏng và chỉ sử dụng các thuật toán cân bằng kênh truyền phức tạp (lấy mẫu bậc cao, thuật toán LSM), tỉ số bit lỗi BER của hệ thống CO-OFDM vẫn rất thấp.

- Với tốc độ bit của các kênh 20Gb/s, BER tại đầu thu đạt 10 -12 khi truyền qua chặng quang đơn mốt chuẩn SMF G.652có chiều dài 100 km Khi tốc độ bit của các kênh tăng từ 20Gb/s lên 30Gb/s thì khoảng cách truyền giảm xuống

Giá trị BER đạt 10 -12 tại khoảng cách 82 km sau khi truyền qua sợi quang đơn mốt chuẩn SMF G.652

So sánh với các hệ thống DWDM trên thực tế như hệ thống DWDM thiết bị Fujitsu các Ring Nam, hệ thống DWDM Ciena Backbone 120Gb/s và hệ thống DWDM Ciena Backbone 240Gb/s của Công ty VTN thuộc Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam đang sử dụng phương pháp bù tán sắc bằng DCF hoặc bằng mạch điện tử [27, 28, 29] (đã đề cập tại mục 1.4 của Chương 1: Đặt vấn đề) thì phương pháp dùng CO-OFDM cho DWDM như mô phỏng có thể:

- Hoàn toàn đáp ứng được cự li truyền dẫn cho các chặng quang theo thực tế, đa số các chặng sử dụng khuếch đại EDFA đều ở khoảng khoảng cách tối đa là 100 km Nếu chiều dài tuyến trên 100 km sẽ sử dụng khuếch đại EDFA đa tầng kết hợp với sử dụng khuếch đại Raman [27, 28, 29]

- Trong thực tế thì khi khai thác hệ thống có sử dụng phương pháp bù tán sắc DCF như tuyến 120Gb/s và Fujitsu Ring nam của Công ty VTN có một số điểm bất lợi như khi thay đổi chiều dài tuyến cáp có các giá trị tán sắc CD vượt ngưỡng bộ bù DCF theo thiết kế thì hệ thống không hoạt động được Đối với hệ thống sử dụng bù tán sắc bằng điện tử như hệ thống DWDM 240Gb/s của VTN thì khi có thay đổi về chiều dài tuyến và các tham số tán sắc thì phải mất thời gian để hệ thống ước lượng kênh truyền, thực hiện bù tán sắc hoàn toàn cho một kênh bước sóng có tốc độ 10Gb/s mất khoảng 10 phút cho toàn tuyến từ Hồ Chí Minh đến Phan Rang Do đó các tuyến cáp quang sử dụng và tuyến dự phòng phải gần như có chiều dài và hệ số tán sắc tương đương nhau [27, 28, 29] Như vậy khi sử dụng phương pháp điều chế CO-OFDM cho DWDM đã khắc phục được tình trạng thay đổi các giá trị chiều dài tuyến cáp và giá trị CD thay đổi đối với cả hệ thống bù bằng DCF hoặc bù bằng mạch điện tử

So với các nghiên cứu về sử dụng OFDM trong thông tin quang đã đề cập trong mục 1.3 của chương 1: Đặt vấn đề, ta có bảng thống kê như sau:

B ả ng 4.1: Th ố ng kê m ộ t s ố phương pháp sử d ụ ng OFDM trong thông tin quang

TT Nội dung Đề tài này Nhóm 1.4.1 Nhóm 1.4.2 Nhóm 1.4.3 1 Hệ thống quang DWDM Non-DWDM Non-DWDM DWDM

3 Khoảng cách kênh 100GHz N/A N/A 50GHz

6 Tốc độ bit hệ thống 80Gb/s và

7 Mã hoá DPSK QPSK 4-QAM QPSK

8 Khoảng cách 1 span 85 km 80 km Back-to-back 80 km 9 Loại sợi quang sử dụng SMF G.652 SMF G.652 SMF G.652 SMF G.652

10 Điều chế CO-OFDM CO-OFDM DDO-OFDM

Tuy không sử dụng phương pháp bù tán sắc, hệ thống mô phỏng thiết kế vẫn truyền tín hiệu khá xa mà không cần bù tán sắc Khi so sánh với hệ thống đơn sóng mang, hệ thống đa sóng mang truyền với tốc độ bit tương đương trong điều kiện tương tự.

Chương 4: Nhận xét, kết luận và hướng phát triển 83 trực giao trên cùng một sợi quang thì ta thấy ảnh hưởng của sợi quang lên hệ thống đơn sóng mang là đáng kể Trong khi hệ thống đơn sóng mang có tốc độ bit 10Gb/s nếu không dùng các kỹ thuật bù tán sắc thì cự ly truyền dẫn tối đa < 11km Còn hệ thống CO-OFDM do có sử dụng kỹ thuật OFDM nên thời gian mỗi kí tự sẽ được kéo dài hơn 512 lần so với hệ thống đơn sóng mang Do đó, ảnh hưởng bởi tán sắc do sợi quang gây ra được giảm tối thiểu, điều này chứng minh được lý thuyết hoàn toàn đúng về tính miễn nhiễm của hệ thống CO-OFDM với CD, PMD.

KẾT LUẬN

Như vậy mô phỏng trên đã đạt được mục tiêu đề ra là:

- Phương pháp CO-OFDM hoàn toàn có thể sử dụng được trong truyền dẫn quang đường dài sử dụng công nghệ DWDM

- Việc nâng cao dung lượng truyền dẫn quang DWDM có thể sử dụng phương pháp điều chế OFDM vì tính chịu đựng ảnh hưởng của tán sắc CD và PMD tốt hơn phương pháp dùng đơn sóng mang thông thường

- Việc không cần sử dụng các phương pháp bù tán sắc làm giảm chi phí đầu tư cho công nghệ bù tán sắc, đồng thời linh hoạt hơn trong việc sử dụng một tuyến truyền dẫn có nhiều sợi quang dự phòng có chiều dài và hệ số tán sắc khác nhau

- Đề tài cho thấy tính khả thi khi áp dụng phương pháp điều chế CO-OFDM cho hệ thống DWDM trong thực tế, tuy nhiên do giới hạn về thời gian nên đề tài chỉ mô phỏng hệ thống với thiết kế các chặng quang có chiều dài trung bình, chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại EDFA đơn tầng, có hệ số khuếch đại thấp nên chưa cho thấy rõ ràng ảnh hưởng của hệ số phi tuyến và cách khắc phục, chưa khảo sát và thiết kế hệ thống có chiều dài lớn trên 100 km đến 200 km sử dụng bộ khuếch Raman kết hợp với bộ khuếch đại EDFA đa tầng

Lúc đó công suất của hệ thống rất lớn, ảnh hưởng của hệ số phi tuyến rõ ràng hơn

- Mặc dù công nghệ CO-OFDM trong thông tin quang đã được nghiên cứu từ khoảng năm 2006 với khá nhiều ưu điểm nhưng cho đến thời điểm năm 2011 vẫn chưa có sản phẩm thương mại [23].

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Do thời gian thực hiện đề tài tương đối ngắn, đề tài lại mang tính chất lý thuyết, cộng thêm kiến thức để thực hiện đề tài là tương đối rộng và mới mẻ, lạ lẫm nên vẫn còn một số điểm mà đề tài chưa thể hiện được Do đó, đề tài đưa ra một số hướng có thể tiếp tục được nghiên cứu và phát triển:

- Tiếp tục sử dụng phương pháp điều chế CO-OFDM để nâng tốc độ bit của các bước sóng DWDM lên đến 100 Gb/s

- Đưa vào hệ thống các kỹ thuật sửa lỗi FEC, cân bằng kênh tiên tiến nhằm nâng cao hơn nữa tốc độ truyền cũng như cự ly truyền dẫn và cải thiện BER của hệ thống

- Thiết kế tuyến với chiều dài và suy hao quang sử dụng khuếch đại Raman kết hợp EDFA đa tầng để tăng cự ly truyền dẫn

- Thiết kế phần cứng để phát triển các ứng dụng thực tế trong truyền dẫn quang.