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

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

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

CHƯƠNG 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

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

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

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 )

(

N

n

t t j c

s

c n

e t A N

t

S  (1.2)

Trong đó,  = 0 + n.

1.3 Kết luận chương 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

CHƯƠNG 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 ckiví dụ sử dụng mã hóa Gray, cki là ký hiệu thông tin phức tạp được ánh xạ Các kí hiệu của cki 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 cki 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

chia làm ba mức: đồng bộ thời gian của sổ DFT, đồng bộ bù tần số sóng mang, và khôi phục sóng mang con

Hình 2.2 Cấu trúc miền thời gian của tín hiệu OFDM

Hình 2.2 thể hiện cấu trúc miền thời gian của một tín hiệu OFDM bao gồm nhiều ký hiệu OFDM Mỗi ký hiệu OFDM kết hợp một khoảng bảo vệ và một chu kì khảo sát Điều bắt buộc là bắt đầu của cửa sổ DFT (tức là chu kì quan sát) phải được xác định đúng bởi vì một cửa sổ DFT sai lệch là kết quả của sự nhiễu giữa các ký hiệu và nhiễu giữa các sóng mang (ICI)

2.4 Đồng bộ bù tần số

2.4.1 Sự chọn tần số

2.4.2 Hiệu chỉnh tần số

2.5 Khôi phục sóng mang: đánh giá kênh và đánh giá pha

Từ mô hình kênh công thức (2.8), có ba nhân tố dẫn đến sự quay của chòm sao kí tự thông tin bộ thu rki: (1) tán sắc kênh Hki, nó làm cho sự phụ thuộc tần số sang phổ OFDM; (2) bù thời gian lấy mẫu DFT tạo ra một tham số pha tuyến tính với tần số sóng mang con và (3) nhiễu pha từ laser phát và thu Hằng số thời gian đối với

ba nhân tốlà khác nhau Nhân tố đầu tiên thay đổi trên khoảng thời gian (ms) do sự chuyển động cơ học của sợi Cụ thể tán sắc thay đổi theo sự dao động nhiệt độ liên tục Tán sắc phân cực mode biến đổi

do sự dao động cơ học và nhiệt độ trong khoảng ms Nhân tố thứ hai

được gây ra bởi bù tốc độ thời gian lấy mẫu và nó có thể cần để được điều chỉnh mỗi micro giây tới 10 micro giây Nhân tố thứ ba đến từ nhiễu pha laser với dải phổ từ 100 KHz tới vài MHz Hai nhân tố đầu tiên được giải quyết thông qua đánh giá kênh Nhân tố thứ ba nhờ đánh giá pha và sự bù pha[16]

- Tại sao đánh giá kênh là cần thiết

Mặc dù chúng ta đã chỉ ra trước đó rằng việc đánh giá kênh là cần thiết để định hướng chùm tín hiệu tại bộ thu, nó không thể luôn được yêu cầu cho điều chế rời rạc Mã hóa khác nhau có thể được nhận ra thông qua hai phương pháp:

(1) Sử dụng hai symbol OFDM liên tiếp nhau và (2) sử dụng hai sóng mang con liên tiếp nhau Mã hóa khác nhau loại bỏ yêu cầu đối với hoặc là liên quan hoàn toàn đến các đặc điểm kênh truyền hoặc pha symbol và do đó đánh giá kênhkhông cần thiết Tuy nhiên, có một

bất lợi là SNR khác nhau với các loại mã hóa khác nhau

2.7 Kết luận chương 2

Quá trình xử lý tín 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

CHƯƠNG III:CÁC HỆ THỐNG OFDM QUANG

hợp (CO - Coherrent Detector) [16]

3.2 OFDM quang coherent

OFDM quang coherent (CO-OFDM) có hiệu năng của độ nhạy máy thu, hiệu suất sử dụng phổ, và chống lại sự phân cự, nhưng nó yêu cầu sự linh hoạt cao nhất trong thiết kế máy thu CO-OFDM được đề xuất đầu tiên bởi Shieh và Athaudage[13], và khái niệm OFDM quang coherent đa đầu vào và đầu ra được chính thức hóa bởi Shieh CO-OFDM được tiến hành đầu tiên bởi Shieh cho sợi đơn mode chuẩn 1000km (SSMF) truyền dẫn ở 8Gb/s và bởi Jansen đối với SSMF 4160km ở 20Gb/s Tuy nhiên, nguyên tắc cơ bản của CO-OFDM như sau: thực hiện hiệu quả sử dụng phổ bởi phổ sóng mang chồng lấn lên nhau trong khi tránh xuyên nhiễu bởi sử dụng tách sóng nhất quán và sự trực giao giữa các tín hiệu

3.2.1 Nguyên lí của CO-OFDM

OFDM mang lại hiệu quả tính toán các hệ thống coherent, dễ dàng đánh giá pha và kênh Các hệ thống coherent mang OFDM tuyến tính được yêu cầu trong bộ chuyển đổi RF thành tín hiệu quang (RTO) và bộ chuyển đổi quang thành RF Do đó, một biến đổi tuyến tính là mục tiêu chính đối với việc thực hiện OFDM Một hệ thống

OFDM thông thường như hình 3.1 có thể chia thành 5 khối chức năng: bộ phát RF OFDM, bộ chuyển đổi RTO, kênh quang, bộ chuyển đổi OTR và bộ thu RF OFDM Giả sử kênh quang tuyến tính,rõ ràng rằng những khó khăn đối với việc thực thi CO-OFDM là

để có một bộ chuyển đổi RTO tuyến tính và bộ chuyển đổi OTR tuyến tính Nó đã được đề xuất và phân tích xu hướng bộ điều chế Mach-Zehnder tại điểm không, sự chuyển đổi tuyến tính giữa 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 đường 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 chế (Intermodulation Tone)tương tự nhau để nghiên cứu điều chế phi tuyến I/Q trên chuyển đổi RF sang quang đối với bộ phát CO-OFDM Kết quả thu được ở đây nên áp dụng với các hệ thống đa sóng mang