KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Chương I: Giới thiệu chung về OFDM. Chương II: Xử lý tín hiệu trong OFDM. Chương III: Các hệ thống OFDM quang. Mục tiêu của đề tài là ứng dụng kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang. Đây là sự kết hợp những ưu điểm của cả kỹ thuật OFDM và hệ thống thông tin quang. Và phần cuối của luận văn đưa ra kết quả mô phỏng hệ thống OFDM quang longhaul.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Bùi Thị Phượng KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Chuyênngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mãsố: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – NĂM 2014 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. VŨ TUẤN LÂM Phản biện 1: TS. Vũ Văn San Phản biện 2: TS. Hoàng Văn Võ Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 9 giờ 30 ngày 09 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn. Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn. Các hệ thống truyền dẫn điện đã rơi vào trạng thái bão hòa, hay nói cách khác tốc độ cho phép của môi trường truyền dẫn điện chỉ nằm trong một giới hạn cho phép (hàng chục Gb/s). Trong khi đó, yêu cầu truyền dẫn của các mạng lưới viễn thông ngày nay đã lên tới hàng Tb/s và thậm chí hơn. Việc ra đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần như vô hạn đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó.Ta thấy, chỉ trong một thời gian rất ngắn, khi mà công nghệ sợi quang phát triển mạnh mẽ kèm theo các công nghệ khuếch đại tín hiệu quang tiên tiến ra đời thì các hệ thống truyền thông quang mới thật sự thể hiện được những khả năng vượt trội của nó. Khi khả năng truyền dẫn đã tạm được giải quyết nhờ sự ra đời của công nghệ truyền dẫn sợi quang thì tốc độ chuyển mạch của các thiết bị điện tử để thích ứng với công nghệ truyền thông tốc độ cao của sợi quang là điều cần thiết. Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang với băng thông cực lớn, còn tín hiệu vẫn được xử lý, thực hiện ở trên nền điện tử đã có sẵn. Các kỹ thuật ghép kênh vẫn được dùng cả trong miền điện lẫn miền quang nhằm sử dụng tốt hơn nữa tài nguyên sẵn có và nâng cao tốc độ cho cả hệ thống. Đề tài tiếp cận một kỹ thuật ghép kênh theo tần số tiên tiến để điều chế tín hiệu trong miền điện trước khi đưa vào kênh truyền quang để truyền đi. Đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đây là kỹ thuật ghép kênh cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số, có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Tán sắc là hiện tượng gây ra 2 giãn xung tín hiệu khi truyền trên kênh truyền quang làm giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn tín hiệu quang. Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm giảm tốc độ của hệ thống. Kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trước khi chuyển thành tín hiệu quang. Mục tiêu của đề tài là ứng dụng kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang. Đây là sự kết hợp những ưu điểm của cả kỹ thuật OFDM và hệ thống thông tin quang. Và phần cuối của luận văn đưa ra kết quả mô phỏng hệ thống OFDM quang long-haul. Luận văn gồm có 3 chương: Chương I: Giới thiệu chung về OFDM. Chương II: Xử lý tín hiệu trong OFDM. Chương III: Các hệ thống OFDM quang. 3 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ OFDM 1.1Tiến trình phát triển của OFDM OFDM được giới thiệu đầu tiên bởi Chang trong buổi thuyết trình vào năm 1966 [4]. Thuật ngữ ‘OFDM” trong thực tế xuất hiện đầu tiên trong bằng sáng chế khác của ông ấy vào năm 1970. Các lĩnh vực trong OFDM có bước phát triển dài như một nét nổi bật trong hàng triệu ứng dụng bởi vì sự thiếu các ứng dụng băng rộng cho OFDM và các mạch điện tử được tích hợp năng lượng lớn để đáp ứng sự tính toán phức tạp được yêu cầu bởi OFDM. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các ứng dụng số băng rộng và hoàn thiện việc tích hợp CMOS chip trong những năm 1990 và đưa OFDM vào một thời đại mới. Trong năm 1995, OFDM được ứng dụng trong chuẩn truyền hình số - DVB châu Âu. Điều này cho thấy OFDM là một công nghệ điều chế quan trọng và báo trước một kỉ nguyên mới cho sự thành công của OFDM trong rất nhiều ứng dụng. Ngoài DVB Châu Âu, OFDM còn được sử dụng trong mạng LAN không dây (Wi-Fi; IEEE 802.11a/g), mạng Metro không dây (WiMAX; 802.16e), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL;ITU G992.1), và LTE… 1.2 OFDM cơ bản 1.2.1 Các nguyên lý cơ bản của OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi 4 symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Hình 1.1. So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). 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. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết 5 hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống OFDM 1.2.2. Đơn sóng mang 1.2.3 Đa sóng mang 1.2.4. Sự trực giao Sự trực giao - Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dựliệu trước giữa các sóng mang khác nhau. 6 Việc đưa vào các khoảng bảo vệ, các sóng mang không có tính trực giao này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Đối với hệ thống đa sóng mang phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang. Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này, trong một chu kỳ  , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/  . Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao. 1.2.4.1. Trực giao miền tần số 1.2.4.2. Mô tả toán học của OFDM Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis).Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:        1 0 )( ).( 1 )( N n ttj cs cn etA N tS  (1.2) Trong đó,  =  0 + n.   7 1.3. Kết luận chƣơng 1 Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được. Nó làm cho thông tin truyền với tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. 8 CHƢƠNG II: XỬ LÍ TÍN HIỆU TRONG OFDM QUANG 2.1. Giới thiệu Muốn khai thác được ứng dụng của hệ thống OFDM quang ngoài việc chú ý đến việc điều chế sóng mang đơn,ta cần chú ý đến quá trình xử lí tín hiệu. Trong chương này, chúng ta xem xét các khía cạnh khác nhau của xử lí tín hiệu OFDM kết hợp với ba mức đồng bộ bao gồm đồng bộ cửa sổ, đồng bộ tần số, và đánh giá kênh; bộ chuyển đổi tương tự sang số, số sang tương tự ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống. 2.2. Xử lí tín hiệu OFDM đầu cuối Nhìn chung, mô hình tryền dẫn tín hiệu OFDM mô tả quá trình biến đổi tín hiệu qua bộ phát, kênh truyền dẫn, và bộ thu phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Ở đây chúng ta sử dụng hệ thống quang coherent (CO)-OFDM như một vi dụ để minh họa các thành phần cơ bản của quá trình xử lí tín hiệu OFDM. Trong bộ phát RF OFDM, dữ liệu số đầu vào được biến đổi lần đầu từ dãy các bit tới một khối các bit song song bao gồm ký hiệu thông tinN SC , mỗi khối bit có thể bao gồm nhiều bit cho mã hóa Gray. Ký hiệu thông tin này được ánh xạ với một tín hiệu phức tạp hai chiều ki c ví dụ sử dụng mã hóa Gray, ki c là ký hiệu thông tin phức tạp được ánh xạ. Các kí hiệu của ki c phù hợp với thứ tự các sóng mang con và các khối OFDM. Tín hiệu OFDM miền thời gian được kết hợp thông qua biến đổi Fourie ngược rời rạc IDFT cho ki c và một khoảng bảo vệ được chèn vào để tránh xuyên kênh. 2.3. Đồng bộ cửa sổ DFT Đồng bộ là một trong những chức năng quan trọng nhất đối với máy thu CO-OFDM. Như phần trước quá trình đồng bộ có thể được [...]... nhiều ứng dụng Để tăng chất lượng hệ thống thông tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại được tín hiệu điện bên phía phát dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD - Direct Detector) và kỹ thuật tách sóng hết hợp (CO - Coherrent Detector) [16] 3.2 OFDM quang coherent... tín hiệu quang được lấy ra ngay sau liên kết sợi quang, trước khi tín hiệu được tách bởi photodiode 19 Hình 3.24 Phổ tín hiệu quang trƣớc khi đƣợc tách sóng bởi photodiode 3.5 Kết luận chƣơng 3 Chương này đã đưa ra hai hệ thống thông tin quang là OFDM quang tách sóng kết hợp (OFDM quang coherent) và OFDM tách sóng trực tiếp Việc phân loại này dựa kỹ thuật tách sóng mang quang ở bộ thu OFDM quang coherent... Photonics Integrated (VPI), phần mềm dùng để thiết kế các hệ thống thông tin quang Các chương trình OFDM coder và decoder được viết bởi phần mềm Matlab Sau đây là sơ đồ mô phỏng của hệ thống OFDM quang tách sóng trực tiếp (DD) với đường truyền 1000km sợi quang Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM quang đƣờng dài Sau đây là thông số được sử dụng cho mô phỏng này:  Tốc độ bít mặc định: 109b/s  Cửa... NGHỊ Do nhu truyền thông tốc độ cao ngày càng tăng, các ứng dụng nội dung ngày càng phát triển đòi hỏi hạ tầng viễn thông phải phát triển không ngừng để đáp ứng những nhu cầu đó Như chúng ta đã biết kỹ thuật OFDM tương thích với nhiều ứng dụng, không chỉ phát triển trên mạng vô tuyến nó còn thích ứng với hệ thống truyền tải quang giúp tiết kiệm băng thông, tăng tốc độ truyền dẫn OFDM quang là một lĩnh... cơ bản thông qua quá trình xử lí tín hiệu OFDM và mã hóa đối với OFDM, tới các ứng dụng khác nhau, ví dụ như truyền dẫn sợi đơn mode và sợi đa mode, những mạng truy nhập quang cụ thể là OFDM quang coherent và OFDM quang tách sóng trực tiếp Luận văn cũng cung cấp các vấn đề cơ bản của truyền dẫn quang, xuyên nhiễu kênh và các nguồn nhiễu Trong luận văn cũng đưa ra kết quả mô phỏng hệ thống OFDM quang. .. tín hiệu RF và tín hiệu trường quang có thể được thực hiện[16] Hình 3.1 a) Hệ thống CO -OFDM trong mô hình chuyển đổi đƣờng lên/xuống trực tiếpb) mô hình tần số trung gian 3.2.2 Thiết kế bộ phát quang cho CO -OFDM 3.2.3 Chức năng của các khối trong các hệ thống CO -OFDM 3.2.4 Điều chế quang I/Q cho chuyển đổi đường lên RF sang quang tuyến tính Trong phần này, chúng ta sử dụng việc phân tích các loại điều... băng thông xấp xỉ 5GHz Trong bộ phát OFDM điện, tín hiệu OFDM được chuyển đổi đường lên sang sóng mang ở 7.5 GHz, tạo một dải OFDM khoảng cách từ 5 tới 10GHz Tín hiệu RF OFDM được đưa vào một bộ điều chế quang Phổ quang đầu ra có hai dải OFDM biên đối xứng qua sóng mang con chính 3.3.1.2 SSB -OFDM quang băng tần cơ sở SSB -OFDM quang băng tần sở được đề xuất bởi Hewitt[16] để phát triển hiệu suất phổ quang. .. hiệu trong OFDM quang là rất quang trọng, nó đảm cho việc xây dựng các hệ thống OFDM quang hoạt động ổn định với các thông số cho phép Việc xử lý tín hiệu phải đảm bảo đồng bộ cửa sổ, đồng bộ tần số, đánh giá kênh Bộ chuyển đổi tương tự sang số, số sang tương tự ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống 11 CHƢƠNG III:CÁC HỆ THỐNG OFDM QUANG 3.1 Giới thiệu Một trong những điểm mạnh của OFDM là sự đa dạng... Hình 3.5 Minh họa LM-DDO -OFDM với phổ OFDM quang là tƣơng tự với phổ OFDM dải cơ sở 3.3.1.1 SSB -OFDM bù OFDM bù được đề xuất bởi Lowery [9].Chúng chỉ ra rằng DDOOFDM có thể giảm số sự phân cực nhiều lên tới 5000km sợi SSMF Nó được chứng minh bởi Schmidt từ cùng nhóm đối với truyền dẫn 400km ở 20Gb/s Hình 3.6 chỉ ra hệ thống dược đề xuất của OFDM bù trong mô phỏng của chúng Hệ thống được giả lập là 10Gb/s... hình lại trong tương lai, chẳng hạn như tốc độ kênh thích nghi với điều kiện kênh 3 OFDMA đã trở thành một kỹ thuật truy cập đa người dùng hấp dẫn, trong đó tập hợp con của sóng mang con được gán cho người dùng cá nhân OFDMA cho phép linh hoạt trong việc phân chia trong miền thời gian và tần số Ngoài ra, OFDMA có thể là cầu nối giữa 21 mạng không dây và mạng truy nhập quang thông qua hệ thống RoF OFDMA . truyền dẫn sợi quang thì tốc độ chuyển mạch của các thi t bị điện tử để thích ứng với công nghệ truyền thông tốc độ cao của sợi quang là điều cần thi t. Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang với. chương: Chương I: Giới thi u chung về OFDM. Chương II: Xử lý tín hiệu trong OFDM. Chương III: Các hệ thống OFDM quang. 3 CHƢƠNG I: GIỚI THI U CHUNG VỀ OFDM 1.1Tiến. trong lĩnh vực về OFDM [6]. - Tại sao đánh giá kênh là cần thi t Mặc dù chúng ta đã chỉ ra trước đó rằng việc đánh giá kênh là cần thi t để định hướng chùm tín hiệu tại bộ thu, nó không thể