NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ OFDM QUANG và ỨNG DỤNG vào hệ THỐNG TRUYỀN dẫn vô TUYẾN QUA sợi QUANG

Công nghệ OFDM OFDM là một kĩ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó một băng tần lớnđược chia thành các băng tần nhỏ hơn, và số liệu sẽ được truyền song song trên mỗibăng tần c

LỜI NÓI ĐẦU

Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ Yêucầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụthoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ gia tăng khác) khiến chodung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng Sự giatăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các

tế bào vô tuyến nhỏ hơn Nhưng các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cầnmột số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủsóng rộng theo yêu cầu của hệ thống

Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đang trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm

mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ Tuyrằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡngcũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thôngrộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được Chính vìvậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộngmột cách hiệu quả

Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyếnbăng thông rộng là kết hợp với kĩ thuật truy nhập bằng sợi quang Kĩ thuật truyền sóng

vô tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đợi và được xem là một kĩ thuật nên tảng chomạng truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai Mặt khác, chúng ta đều biết

kĩ thuật OFDM quang là một kĩ thuật phổ biến với rất nhiều ưu điểm Do đó việc kếthợp OFDM quang và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho

truyền dẫn vô tuyến băng rộng Đây cũng chính là lí do để em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ OFDM quang và ứng dụng trong truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang”.

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Chương 3: Ứng dụng kĩ thuật OFDM quang trong RoF

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng nhưchuyên môn nên đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Eam rất mongnhận được những ý kiến đóng góp quy báu của thầy cô để bài đồ án của em được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đồ án này, trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hướng

dẫn và chỉ bảo tận tình của thấy giáo-TS Hoàng Văn Võ Thầy đã giúp đỡ em rất nhiều

trong việc định hướng đề tài, giảng giải cho em những kiến thức liên quan đồ án

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong Học viện

đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt 4 năm học Đại học để em cóthể hoàn thành tốt được đồ án tốt nghiệp này

Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những thành viên trong nhóm Mọingười đã giúp đỡ em trong quá trình xây dựng và hoàn thiện đồ án này

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, cảm ơn bố

mẹ vì trong suốt khoảng thời gian qua đã hết sức tạo điều kiện để con có thề hoànthành đồ án tốt nghiệp này một cách tốt nhất

Sinh viên thực hiện

Trịnh Hùng Cường

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG 1

1.1 Công nghệ OFDM 1

1.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển OFDM 1

1.1.2 Nguyên lí OFDM 3

1.1.3 Tính trực giao trong OFDM 4

1.1.4 Xây dựng biểu thức toán học của một tín hiệu OFDM 5

1.1.5 Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM 6

1.1.6 Tiền tố lặp đối với OFDM 8

1.1.7 Dung lượng hệ thống OFDM quang 11

1.1.8 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ OFDM 11

1.2 Công nghệ OFDM quang 12

1.2.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM quang 12

1.2.2 Các khối chức năng của hệ thống truyền dẫn OFDM quang 13

1.3 Sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF 14

1.4 Phân loại OFDM quang 16

1.5 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF 18

2.1 Tổng quan 18

2.1.1 Khái niệm 18

2.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF 18

2.1.3 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet 19

2.2 Kĩ thuật RoF 21

2.2.1 Mô hình truyền dẫn sợi quang hiện tại 21

2.2.2 Các kĩ thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang 26

2.3 Các ưu điểm và nhược điểm của RoF 40

2.4 Ứng dụng của hệ thống RoF 43

2.5 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG OFDM QUANG TRONG RoF 46

3.1 Giới thiệu 46

3.2 Kĩ thuật ghép kênh trong RoF 47

3.2.1 Ghép kênh sóng mang con SCM trong các hệ thống RoF 47

3.2.2 Ghép kênh phân chia theo bước sóng trong hệ thống RoF 48

3.3 OFDM quang trong hệ thống RoF 51

3.3.1 Mô hình OFDM kết hợp với RoF 51

3.2.2 Ứng dụng của OFDM trong RoF 52

3.4 Kết luận chương 3 56

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BI

Hình 1.1: Thí dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM 2

Hình 1.2: Phổ của các sóng mang trực giao 5

Hình 1.3: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang 6

Hình 1.4: Sơ đồ (a) OFDM phía phát (b) OFDM phía thu 8

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở phía thu (c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu 9

Hình 1.6: Tín hiệu OFDM trong miền thời gian đối với 10

Hình 1.7: Kiến trúc hệ thống OFDM chuyển đổi up/down trực tiếp 12

Hình 1.8: Mặt nạ phổ truyền dẫn đối với tín hiệu Wi-fi Sau mức tham chiếu 80 16

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber 18

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF 19

Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn quang 21

Hình 2.4: Cấu trúc chung của một laser 22

Hình 2.5: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp 28

(a) Sử dụng laser (b) Sử dụng bộ điều chế ngoài 28

Hình 2.6: Nguyên lý điều tần kết hợp lọc quang 31

Hình 2.7: Heterodyne đầu xa sử dụng bộ lọc để lựa chọn các vạch phổ dùng để kết hợp 32

Hình 2.8: Nguyên lý vòng khóa pha/ tần quang 33

Hình 2.9: Nguyên lí khóa bơm quang 34

Hình 2.10: Nguyên lý vòng lặp khóa pha bơm quang OIPLL 35

Hình 2.11: Kĩ thuật 2f sử dụng để tạo ra sóng mm 39

Hình 2.12: Chuyển đổi tần số bằng cách trộn bằng giao thoa kế Mach Zehnder 40

Hình 3.1: Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự 48

Hình 3.2: Sự kết hợp DWDM trong RoF 49

Hình 3.3: DWDM trong RoF 49

a Điều chế hai dải biên, b Điều chế triệt một dải biên 49

Hình 3.4: Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM 50

Hình 3.5: Mô hình OFDM quang kết hợp với RoF 51

Hình 3.6: Ví dụ về a) hệ thống RoF và b)Ttruyền dẫn đường xuống 54

Hình 3.7: Cải thiện vùng phủ của WiMAX qua việc triểu khai các khối RAU 54

Hình 3.8: Phân phối hệ thống anten trong RoF 55

Hình 3.9: Hệ thống RoF điểm- đa điểm 56

Y Bảng 1 1: So sánh giữa các kênh quang và kênh không dây 15

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ

viết tắt

ADC Analog Digital Converter Chuyển đồi tương tự sang sốADSL Asymmetric Digital SubscriberLine Đường thuê bao số bất đối xứng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

CNR Carrier-to-Noise Ratio Tỉ số sóng mang trên tạp âm

DAB Digital Audio Broadcasting Quảng bá Audio số

DAC Digital to Analog Converter Chuyển đổi từ số sang tương tựDFT/

IDFT

Discrete Fourier Transform/

Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier thuận/ đảoDVB Digital Video Broadcasting Quảng bá video số

DWDM Dense Wavelength DivisionMultiplexing Ghép kênh phân chia theo bướcsóngEDFA Erbium-doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp

ErbiumFFT/ IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT Biến đổi Fourier nhanh thuận/đảo

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu kênh lân cận

IMD Intensity Modulation Depth Độ sâu điều chế cường độ

IM-DD Intensity Modulation with DirectDetection Điều chế theo cường độ - táchsóng trực tiếpISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí tự

OFDM Orthogonal Frequency DivisionMutilplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh/ trên côngsuất trung bìnhQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ trực giao

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá chuyển pha trực giao

SCM Sub-Carrier Multiplexing Ghép kênh phân chia theo sóngmang

SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động tự do giả

SIR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG

Nội dung chính của chương 1 là trình bày khái niệm, lịch sử công nghệ OFDM,nguyên lí OFDM và công nghệ OFDM quang Ngoài ra cuối chương đề tài phân tích

ưu nhược điểm của OFDM cũng như nêu sự khác biệt giữa OFDM quang và OFDM

vô tuyến

1.1 Công nghệ OFDM

OFDM là một kĩ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó một băng tần lớnđược chia thành các băng tần nhỏ hơn, và số liệu sẽ được truyền song song trên mỗibăng tần con riêng rẽ

Mặc dù, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong rất nhiều các tiêu chuẩn, các hệthống truyền dẫn vô tuyến, song trong các hệ thống truyền dẫn quang nói chung,OFDM vẫn mới chỉ được xem như là một hướng phát triển rất khá hứa hẹn, và đangđược nghiên cứu mạnh mẽ So với các môi trường truyền dẫn khác, truyền dẫn quang

có nhiều đặc tính ưu việt như suy hao truyền dẫn thấp, miễn nhiễm với ảnh hưởng donhiễu tần số vô tuyến, băng thông lớn…Do đó, hạ tầng truyền dẫn tốc độ cao phần lớnđều được xây dựng dựa trên các hệ thống truyền dẫn quang

1.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển OFDM

a Khái niệm

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theotần số trực giao) là phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM) OFDM phân toàn bộbăng tần vào một số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang connày Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn

Các sóng mang con này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một sốnguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tạitần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễugiữa các sóng mang phụ

Điều chế đa sóng mang MCM tận dụng hiệu quả băng tần để truyền dẫn tốc độcao trong các hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến Do yêu cầu về tốc độ dữ liệungày càng cao, nên độ rộng băng tần truyền dẫn tăng đáng kể Vì vậy, kênh vô tuyếnthể hiện đặc tính đa đường trong miền thời gian hay tính cách chọn lọc trong miền tần

số, nghĩa là khi tốc độ dữ liệu truyền trên kênh vô tuyến tăng lên thì kênh vô tuyến đótrở nên có tính chất chọn lọc tần số Việc truyền dẫn thành công qua kênh chọn lọc tần

số là phức tạp hơn so với kênh phẳng băng hẹp, bởi lẽ nhiễu giữa các ký hiệu ISI làmgiảm hiệu năng hệ thống Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến như: kỹ thuật cân bằngkênh,v.v để đối phó sự phân tán kênh Do MCM thực hiện chia toàn bộ băng tầnthành nhiều kênh con song song (đồng thời) Một khi số lượng kênh con đủ lớn, thìđáp ứng tần số trong mỗi kênh con gần như là phẳng Nhờ đó, việc thực hiện cân bằng

cũng như các giải pháp kỹ thuật khác cho mỗi kênh con dễ dàng hơn nhiều Vì vậy, ưu điểm cơ bản nhất và là bản chất của MCM cũng như OFDM là chuyển kênh pha đinh

chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳng

Một ví dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM được minh họa ở hình1.1 Trong đó, hình 1.1a là 4 sóng mang con trong miền thời gian, hình 1.1b là 4 sóngmang con trong miền tần số và hình 1.1c là đáp ứng tổng cộng của 4 sóng mang con

Hình 1.1: Thí dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM

b Lịch sử phát triển của OFDM

Khái niệm OFDM được giới thiệu lần đầu tiên bởi Chang trong một hội thảo năm1996.

Thuật ngữ “OFDM” trên thực tế được xuất hiện trong một sáng chế riêng của ôngvào năm 1970 Các lĩnh vực của OFDM đã có từ lâu và được phát triển, có tầm quantrọng nhất định trong các ứng dụng quân sự Sự ra đời của ứng dụng kĩ thuật số băngrộng và sự hoàn thiện của chip CMOS có độ tích hợp cao năm 1990 đã mang OFDMvào tâm điểm chú ý

Năm 1995, OFDM được chọn như là một chuẩn DAB của châu Âu, đảm bảo ýnghĩa của nó như một công nghệ điều chế quan trọng và báo hiệu một kỉ nguyên mớicủa sự thành công trong một loạt các ứng dụng Một trong số những tiêu chuẩn quantrọng sử dụng kết hợp công nghệ OFDM là DVB, mạng cục bộ không dây (Wi-Fi;IEEE 802.11a/g), mạng đô thị không dây (WiMAX 802.162), đường dây thuê bao bấtđối xứng (ADSL; ITU G.992.1), và công nghệ mạng không dây thế hệ tiếp theo (LTE)thế hệ thứ tư

Ứng dụng của OFDM trong truyền thông quang xảy ra muộn hơn và tương đối ít

so với bản sao RF Cùng là một từ viết tắt OFDM có từ lâu được sử dụng để đại diệncho “ghép kênh phân chia tần số trực giao quang học” trong truyền thông quangchung Bài báo đầu tiên về OFDM quang trong các tài liệu mở được báo cáo bởi Pan

và Green năm 1996, và cũng liện tục có một số nghiên cứu về OFDM trong nhữngnăm tiếp theo Tuy nhiên, lợi thế cơ bản của OFDM, cụ thể là độ chắc chắn của nó đốivới sự phân tán của kênh quang học không được công nhận trong truyền thông quangcho đến năm 2001 Khi Dixon et al đề xuất sử dụng OFDM để chống lại phương thứcphân tán trong sợi quang (MMF) Với thực tế là các kênh sợi MMF tương tự như kênhkhông dây trong điều kiện pha đinh đa đường, không ngạc nhiên rằng các tiêu chuẩnlàm việc ban đầu trên OFDM quang tập trung vào ứng dụng sợi MMF Sự quan tâm vềOFDM ngày một được tăng lên phần lớn là do đề xuất độc lập của OFDM quang chocác ứng dụng đường dài từ ba nhóm, bao gồm phát hiện trực tiếp OFDM quang (DDO-OFDM) và coherent OFDM (CO-OFDM) Cho đến nay, truyền dẫn CO-OFDM theochuẩn sợi đơn mode (SSMF) là 100 Gb/s qua 1000km với hiệu suất phổ tần 2 bít/s/Hz

đã được chứng minh trong các nhóm khác nhau Một trong những thế mạnh củaOFDM quang là nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau

khoảng thời bảo vệ trong mỗi kí tự OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, kí tự OFDMđược mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóngmang ISI.

1.1.3 Tính trực giao trong OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao là mộttính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyềnchung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làm chocác tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại đượchoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưngtín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kếcận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Một tập các tín hiệu được gọi làtrực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện

do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật Mỗi sóngmang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần sốtrung tâm một khoảng bằng bội số của FS Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là

vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.2) Và do đó các sóng mang không gâynhiễu cho nhau

Hình 1.2: Phổ của các sóng mang trực giao

1.1.4 Xây dựng biểu thức toán học của một tín hiệu OFDM

OFDM là một loại đặc biệt của MCM, việc thực hiện chung của nó được mô tảtrong hình 1.3 Cấu trúc của một bộ nhân phức tạp (điều chế IQ/ giải điều chế IQ), nóthường được sử dụng trong hệ thống MCM, cũng được thể hiện trong hình Tín hiệu

truyền MCM s(t) được biểu diễn:

Trong đó c ki là kí tự mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, s k là dạng sóng

cho k sóng mang con, N sc là số sóng mang con, f k là tần số sóng mang con, T s là thờigian một kí tự OFDM , và ∏(t) là hàm xung đơn vị Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi

sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợpvới sóng mang con như trong hình 1.3

Do đó, việc xác định kí tự mạng thông tin c ’

ik tại đầu ra được tính theo công thứcsau:

Trong đó r(t) là thời gian tín hiệu trong miền thu MCM cổ điển sử dụng những tín

hiệu có dải tần hạn chế không chồng chéo và có thể được lắp đặt với một số lượng lớnkhối dao động và bộ lọc cả đầu phát và đầu thu Bất lợi lớn của MCM là nó yêu cầubăng thông lớn Đó là bởi vì để thiết kế các bộ lọc và bộ dao động một cách hiệu quả,

khoảng cách kênh phải bằng một bội số của tốc độ kí tự để giảm hiệu quả phổ mộtcách tốt nhất Một phương pháp mới đã được nghiên cứu bằng việc sử dụng những bộtín hiệu trực giao chồng lấn nhau Tính trực giao này bắt nguồn từ một mối tương quanđơn giản giữa bất kì hai sóng mang con nào.

Hình 1.3: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang

1.1.5 Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM

Một thách thức chính đối với OFDM đó là cần một số lượng lớn các sóng mangcon vì vậy kênh truyền dẫn xem mỗi sóng mang con như một kênh riêng Điều này dẫnđến một cấu trúc vô cùng phức tạp với nhiều bộ dao động và bộ lọc ở cả phía phát vàphía thu Weinsten và Ebert đầu tiên khám phá ra điều chế và giải điều chế OFDM cóthể được thực hiện bằng việc biến đổi Fourier đảo (IDFT) và biến đổi Fourier thuận(DFT) Điều này là hiển nhiên qua việc nghiên cứu điều chế OFDM công thức (1.4) và

giải điều chế OFDM công thức (1.5) Tạm bỏ qua chỉ số i và coi N sc là N trong công thức (1.4) để tập trung chủ yếu vào một kí tự OFDM và chúng ta lây mẫu s(t) tại các khoảng thời gian T s /N Như vậy công thức (1.4) trở thành:

Khi  là biến đổi Fourier, và m1, N

, tương tự, tại phía thu chúng ta có:

c ’

k là N điểm DFT của tín hiệu lấy mẫu thu được Thực hiện DFT/IDFT cho chuyển đổi

từ số sang tương tự và từ tương tự sang số Có hai thuận lợi chủ yếu của việc thực hiệnDFT/IDFT trong OFDM Thứ nhất là để giảm thời gian tính DFT/IDFT thì người tagiảm số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán IFFT/FFT, số phép nhân

phức tạp đối với IFFT trong (1.12) và FFT trong (1.13) giảm từ N 2 còn {Nlog2(N)}/2 gần như tuyến tính với số sóng mang con N Thứ hai, rất nhiều sóng mang con trực

giao có thể được tạo ra và được giải điều chế mà không cần nhiều bộ dao động RF và

bộ lọc phức tạp Điều này dẫn đến một kiến trúc tương đối đơn giản cho thực hiệnOFDM khi mà rất nhiều sóng mang con được yêu cầu Tương ứng kiến trúc sử dụngDFT/IDFT và DAC/ADC được chỉ ra trong hình 1.4

Tại phía phát, bít dữ liệu đầu vào nối tiếp đầu tiên được chuyển đổi thành nhiềuluồng dữ liệu song song, ánh xạ lên mỗi kí tự thông tin tương ứng cho mỗi sóng mangcon với một kí tự OFDM và tín hiệu số trong miền thời gian thu được bằng việc biếnđổi IDFT, sau đó được đưa vào mới một khoảng bảo vệ và chuyển đổi thành dạngsóng thời gian thực thông qua DAC Khoảng bảo vệ được đưa vào để ngăn cản nhiễugiao thoa kí tự (ISI) do kênh phân tán Tín hiệu băng gốc có thể được chuyển đổi nângtần thành RF thích hợp với một bộ điều chế Tại phía thu, tín hiệu OFDM được chuyểnđổi hạ tần thành tín hiệu băng gốc với bộ giải điều chế, lấy mẫu với ADC, và sau đó giải điều chế bởi thực hiện DFT và tín hiệu băng gốc được xử lí để phục hồi dữ liệu

Hình 1.4: Sơ đồ (a) OFDM phía phát (b) OFDM phía thu Chú ý rằng từ công thức (1.10), tín hiệu OFDM s m là một hàm tuần hoàn với chu

kì N/T s Cụ thể là trong (1.10) và (1.11), tần số sóng mang con f k và chỉ số k có thể

1.1.6 Tiền tố lặp đối với OFDM

Một trong những kĩ thuật cho phép đối với OFDM là chèn các tiền tố lặp Chúng

ta hãy xem xét hai kí tự OFDM liên tiếp trải qua một kênh phân tán với một độ trễ t d

Để đơn giản, mỗi kí tự OFDM chỉ bao gồm hai sóng mang con với trễ nhanh và trễ

chậm là t d, đặc trưng bởi “sóng mang con nhanh” và “sóng mang con chậm” tươngứng Hình 1.5a chỉ ra rằng bên trong mỗi kí tự OFDM, hai sóng mang con- sóng mangcon nhanh và sóng mang con chậm được liên kết khi truyền Hình 1.5b chỉ ra rằng các

tín hiệu OFDM ở trên cùng đến phía thu, khi mà sóng mang con chậm trế t d so vớisóng mang con nhanh Chúng ta lựa chọn một cửa sổ DFT có chứa một kí tự OFDMhoàn chỉnh cho sóng mang con nhanh Rõ ràng đó là do phân tán kênh, sóng mang conchậm đã vượt qua ranh giới kí tự dẫn đến nhiễu giữa các kí tự OFDM lân cận, nó đượcgọi là nhiễu liên kí tự (ISI) Hơn nữa, vì dạng sóng OFDM trong cửa sổ DFT đối vớisóng mang chậm chưa được hoàn chỉnh, điều kiện trực giao quan trọng đối với mỗisóng mang con phương trình (1.8) bị mất, kết quả là xảy ra nhiễu kênh lân cận (ICI)

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở phía thu

(c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu

Tiền tố lặp được đề xuất để giải quyết các vấn đề nhiễu ISI và ICI Hình 1.5c chỉ

ra việc chèn vào một tiền tố lặp bằng việc mở rộng tuần hoàn vào dạng sóng OFDMkhoảng bỏa vệ ∆G Như trong hình 1.5c, dạng sóng trong khoảng bảo vệ về cơ bản làmột bản sao của chính nó trong cửa sổ DFT, với một khoảng thời gian dịch chuyển là

t s Hình 1.5d chỉ ra tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ nhận được

Nếu giả định các tín hiệu được đi qua các kênh phân tán giống nhau và cùng cửa

sổ DFT được chọn bao gồm một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang connhanh Có thể thấy được từ hình 1.5d một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mangcon chậm cũng được duy trì trong cửa sổ DFT bởi vì một tỷ lệ của tiền tố lặp đã đượcchuyển vào trong cửa sổ DFT để thay thế một phần giống hệt đã được chuyển ra Nhưvậy, kí tự OFDM đối với sóng mang con chậm là một bản sao giống hệt dạng sóngtruyền được thêm vào trong quá trình chuyển đổi giai đoạn Chuyển đổi giai đoạn nàyđược xử lí trong quá trình ước lượng kênh và sẽ được quyết định loại bỏ đối với kí tự.Bây giờ chúng ta đi đến điều kiện quan trong đối với truyền OFDM tự do với nhiễuISI

Hình 1.6: Tín hiệu OFDM trong miền thời gian đối với

Một cách mô tả tiền tố lặp là một biểu thức giống như trong biểu thức (1.4) đối

với truyền tín hiệu s(t) nhưng được mở rộng dạng hàm xung (1.6) để chèn khoảng bảo

1.1.7 Dung lượng hệ thống OFDM

Xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang cong giốngnhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa,băng thông, công suất…)

Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độbít tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsc là số sóng mang con, Ts là độ dài kí

tự, B là độ rộng băng thông, ts là độ dài kí tự có ích (thời gian FFT), khoảng cách giữa

các sóng mang con là ∆f=1/ts và α=ts/Ts, tốc độ bít tổng được tính như sau:

log log

1.1.8 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ OFDM

 OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường diđộng Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho dẫn đếnkhả năng đối phó trải trễ kênh vô tuyến (khắc phục ISI) và hiệu quả sử dụng phổtần cao của công nghệ OFDM

 OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển kênh phađinh chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳng Vì vậy, OFDM là giải pháp đốivới tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh Ưu điểm cho phép cân bằng kênh dễdàng

 Do tính phân tập tần số, dẫn đến làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm (do pha đinhRayleigh gây ra) Ưu điểm này rất có lợi khi kết hợp với mã hóa kênh (mã xoắn

và mã Turbo)

 Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số vàcông nghệ vi mạch VLSI

Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được

Nó cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần sốthành 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 lênnhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệthống rất hiệu quả Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trảitrễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên kí tự ISI sẽ đượcloại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sửdụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúpgiảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệthống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu ược điều chế vàgiải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT

b Nhược điểm

OFDM nhạy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nộiphát và thu Tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền códịch Doppler lớn Vấn đề đồng bộ thời gian Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắtđầu của ký hiệu FFT

Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tínhiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽxuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc bảođảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC Mộtnhược điểm khác của kỹ thuật này là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tầnDoppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫuđúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các kí tự Đồng thời hệthống OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác

1.2 Công nghệ OFDM quang

1.2.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM quang

Hình 1.7: Kiến trúc hệ thống OFDM chuyển đổi up/down trực tiếp

Hình 1.7 là mô hình của một hệ thống OFDM, bao gồm năm khối chức năng cơbản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang,chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM

Trong phần này, RF được sử dụng để thay thế cho nhau trong miền điện để biểuthị cho giao diện vật lí điều đó trái ngược trong miền quang Độ tuyến tính kênh truyềndẫn là cơ sở giả định trong OFDM Do đó, nghiên cứu tính phi tuyến trong mỗi khốichức năng có tầm quan trọng lớn Khối phát và thu RF OFDM đã được nghiên cứutrong hệ thống RF và như vậy nó vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống OFDM

1.2.2 Các khối chức năng của hệ thống truyền dẫn OFDM quang

a Khối phát RF OFDM

Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp sang song

song), tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành N sc “kí tự thông tin” song song Những kí

tự này sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền Tín hiệutrong miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chếOFDM (IDFT) Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền

thời gian, giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là c ki và sau đó được chènmột khoảng bảo vệ để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễuICI (nhiễu lênh lân cận) Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệuOFDM Tín hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn:

/2

2 ( ) /2 1

Trong đó c ki là kí tự mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, f k là tần số sóng

mang con thứ k, N sc là số sóng mang con, T s là thời gian một kí tự OFDM, t s là thờigian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị Phần mở

rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆G, 0) trong phương trình (1.23) đại diện chochèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ (đã trình bày trong mục 1.1.6) Tín hiệu sau đó sẽđược chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi mộ bộ lọc thôngthấp loại bỏ các tín hiệu không mong muốn trước khi được đưa vào bộ chuyển đồiRTO

b Khối chuyển RF sang quang và ngược lại

Tín hiệu OFDM băng gốc có thể được chuyển đổi thành RF thông qua bộ trộn tần

IQ (không được chỉ ra trong hình), Hình 1.7 là một kiến trúc nâng tần trực tiếp, ở đómáy phát OFDM RF tạo ra tín hiệu OFDM băng gốc Ở phía phát, bộ RTO sẽ chuyển

tín hiệu băng gốc này sang miền quang sử dụng một bộ điều chế quang Tín hiệuOFDM băng gốc được chuyển đổi trực tiếp tới miền quang sau đó đưa lên đườngtruyền quang

Đường truyền quang sử dụng sợi đơn mode hoặc sợi đa mode để truyền và trênđường truyền sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu

Ở phía thu, tín hiệu OFDM quang được chuyển đổi thành một tín hiệu OFDM

RF, ngược lại so với phía phát

c Khối thu RF OFDM

Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệunày cần đưa qua ba mức đồng bộ phức tạp trước khi quyết định kí tự dữ liệu, ba mứcđồng bộ:

1 Đồng bộ cửa sổ DFT trong đó các kí tự OFDM được mô tả đúng để tránhnhiễu liên kí tự Đồng bộ kí tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một

kí tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ kí tự

đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn

2 Đồng bộ tần số, cụ thể là dịch tần được ước lượng, được bù trừ và hơn thế nữa

là được hiệu chỉnh tới một giá trị nhỏ nhất khi bắt đầu Người ta đưa ra haiphương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là sửdụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là: Lấy mẫu không đồng bộ Trongphương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệuđược xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

3 Khôi phục sóng mang con, mỗi kênh sóng mang con được ước lượng và bùtrừ Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác địnhhàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bênthu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation) Để ướclượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường(PSAM-Pilot signal assisted Modulation)

1.3 Sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF

Có một sự sai lầm là do OFDM RF đã được nghiên cứu từ khá lâu, khoảng 20năm, và hệ thống OFDM quang sẽ là một nỗ lực giúp chuyển đổi từ miền vô tuyếnkhông dây sang miền quang Việc sử dụng các hệ thống truyền thông quan SMF vàcác hệ thống không dây là các ví dụ, chúng tôi đưa ra các khác biệt sau có các ý nghĩa

hệ quả đối với thiết kế OFDM như sau:

 Mô hình kênh: Bảng 1.1 tóm tắt các điểm khác biệt chính giữa các kênh truyền

thông vô tuyến và quang Một kênh vô tuyến điển hình có thể được mô hìnhhóa như là sự tổng hợp của nhiều tuyến đường mà mỗi tuyến đường phải trảiqua một quá trình Reyleigh

 Tính phi tuyến kênh: kênh vô tuyến trong không gian tự do và do đó không có

bất kỳ tính phi tuyến nào Ngược lại, đường truyền sợi quang mang đặc tính phi

tuyến Kết hợp cùng với tán sắc sợi quang, PMD và các hiệu ứng PDL, kênhquang thường phức tạp hơn so với kênh vô tuyến Thường thường, không có bất

kỳ giải pháp phân tích đóng nào đối với việc truyền dẫn phi tuyến trong sợiquang, trong đó các giải pháp tính toán số học đối với phương trình phi tuyếnSchrodinger mô tả việc truyền sóng phi tuyến trong sợi quang được yêu cầu đểphân tích hiệu năng Ngay từ cái nhìn đầu tiên, OFDM bị cản trở bởi giá trịPAPR cao sẽ không phù hợp với kênh sợi quang có tính phi tuyến cao Maymắn là sự tán sắc màu trong sợi quang như là một yếu tố thuận lợi giúp làmgiảm tính phi tuyến và các thí nghiệm thực nghiệm đã cho thấy việc truyền dẫnthành công tốc độ 100Gb/s CO-OFDM trên tuyến đường dài 1000km sử dụngsợi quang SSMF

Bảng 1 1: So sánh giữa các kênh quang và kênh không dây

OFDM

không dây

-Đa miền thời gian-Rayleigh rời rạc-Fadinh

môi trường di động

OFDM

quang

-Miền tần số liêntục

-Tán sắc miền

 Biến đổi thời gian của các đặc tính kênh: cũng quan trọng như tán sắc tần số

(hoặc việc chọn tần) của kênh, việc chọn lọc thời gian hoặc tán sắc là một yếu

tố xác định khác Tán sắc thời gian được định nghĩa như tỷ số ở đó các đặc tínhkênh thay đổi Trong các hệ thống không dây, tán sắc thời gian được đặc trưngnhư tần số Doppler từ các người dùng di động di chuyển với tốc độ cao, trongkhi trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang, nó được đặc trưng như việc quayphân cực từ sự xáo trộn cơ học của liên kết sợi quang Việc mở rộng của sự lựachọn thời gian được đặc trưng bởi sản phẩm của tần số Doppler trong các hệthống không dây (hoặc tỷ lệ quay phân cực trong các hệ thống sợi quang) vàchiều dài ký hiệu OFDM, tương đương 0,04 đối với hệ thống truyền thông diđộng phổ biến (Universal Mobile Telecommunications System) hoặc môitrường mạng LAN không dây hoặc 5 x 10-5 đối với các hệ thống sợi quang (sửdụng chiều dài ký hiệu 50ns và tốc độ quay phân cực 1 kHz) Sau đó, kênhquang có thể được xem xét bán tĩnh điện Việc ước tính kênh hiệu quả có thểđược sử dụng bằng việc tận dụng ưu điểm của đặc tính quan trọng này

 Khuếch đại phi tuyến: đây là một yếu tố quan trọng có thể không thường được

công nhận Trong các hệ thống không dây, tính phi tuyến chủ yếu diễn ra trongviệc khuếch đại quang, do đó ta có thể có một bộ khuếch đại không suất RF độbão hòa cao hoặc hoạt động tại công suất back-off vừa đủ Tuy nhiên trong các

hệ thống sợi quang, bộ khuếch đại chiếm ưu thế là EDFA với tính tuyến tínhtuyệt vời Điều này là do đáp ứng thời gian của EDFA tính theo ms, do đó bất

kỳ tính phi tuyến nào nhanh hơn ms thực tế sẽ bị biến mất Điều này rất có ýnghĩa theo nghĩa trong việc thiết kế các hệ thống CO-OFDM, khi gặp phải việcđánh đổi giữa tổn thất quang với tổn thất RF, ta sẽ chọn cái đầu tiên vì nó có

tính tuyến tính cao hơn Ví dụ, trong việc thiết kế bộ phát CO-OFDM, ta sẽchọn việc tối thiểu hóa các ổ điện áp thành các modulator IQ quang và khuếchđại quang tín hiệu để bù đắp tổn thất vượt quá của Modul IQ quang.

 Khả năng chịu lỗi khi truyền dẫn out-of-band: Trong các hệ thống không dây,

do sự thiếu hụt của phổ tần số, kênh RFF được đóng gói nhỏ nhất có thể Do đó,

có một yêu cầu truyền dẫn out-of-band giới hạn được đặt lên các bộ phátOFDM

Hình 1.8 chỉ ra mặt nạ truyền dẫn đối với một tín hiệu Wi-fi chỉ ra chi tiết mật độtương đối tối đa ở đó việc truyền dẫn bị giới hạn Ví dụ, đối với tín hiệu Wi-Fi vớikhoảng cách kênh 20 MHz, mật độ truyền dẫn tối đa tương ứng tại 11,20 và 30Mhztương ứng là -20, -28, -30 dB với mật độ trong băng Nó sẽ là một nhiệm vụ dễ dàngnếu một bộ lọc RF có thể được sử dụng để loại bỏ bất kỳ sự phát xạ nào tại bộ pháttrong một hệ thống không dây Vấn đề là việc khuếch đại công suất là một trongnhững đóng góp lớn tới việc tiêu thụ công suất chip tổng thể, và việc đưa ra một bộ lọc

RF đăng sau bộ khuếch đại công suất sẽ giảm đáng kể tổn thất và giảm ảnh hưởng củacông suất chip Do đó, nó thường được tránh dùng trong các hệ thống không dây Điềunày đặt ra một yêu cầu nghiêm ngặt tới bộ phát OFDM theo khía cạnh điều khiển phituyến Ngược lại, trong các hệ thống quang, các thiết bị ghép kênh phân chia theobước sóng thường được sử dụng để kết hợp nhiều bước sóng khác nhau, và bất kỳ việctruyền tải out-of-band nào từ bộ phát CO-OFDM được loại bỏ một cách hiệu quả Nhưvậy, bộ phát CO-OFDM có khả năng chịu lỗi tốt hơn tới việc truyền dẫn out-of-band.Thực tế này cần được tận dụng khi giải quyết với việc giảm thiểu PAPR trong các hệthống CO-OFDM

Hình 1.8: Mặt nạ phổ truyền dẫn đối với tín hiệu Wi-fi Sau mức tham chiếu 80.

1.4 Phân loại OFDM quang

Trong kỹ thuật OFDM quang, có 2 vấn đề quan trọng quyết định: đó là quá trìnhđiều chế quang để tạo tín hiệu quang đưa lên đường quang và tách sóng quang tìm lạitín hiệu điều chế

Trong điều chế quang, người ta có thể sử dụng 2 giải pháp điều chế, đó là điều chếquang trực tiếp (điều chế cường độ ánh sáng) và điều chế quang gián tiếp (điều chếngoài)

Điều chế trực tiếp là điều chế đươc thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu cầntruyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi dòng điện kích thích chạy qua Lazer Độ phát sáng của lazer phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền dẫn

Khác với điều chế trực tiếp, việc điều chế tín hiệu không được thực hiện bên tronglazer mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài gọi là bộ điều chế ngoài(external modulator) Ánh sáng do lazer phát ra dưới dạng sóng liên tục CW(continuos wave) Có hai loại bộ điều chế ngòai được sử dụng hiện nay: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA)

Trong tách sóng quang, người ta cũng có 2 giải pháp tách sóng quang, đó là táchsóng trực tiếp và tách sóng coherent

Phương pháp tách sóng trực tiếp là phương pháp tìn lại tín hiệu quang đã điều chếcường độ bằng cách đếm số lượng hạt photon đến bộ thu nhờ các thiết bị PIN, APDhay còn gọi là các bộ thu quang Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực cả sóngmang được tạo ra từ các linh kiện quang Phương pháp này có nhược điểm là nhiễutạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao

Khác với hệ thống tách sóng trực tiếp chỉ sử dụng các bộ tách quang là PIN hoặcAPD thì trong hệ thống sử dụng tách sóng coherent còn có thêm một phần tử tạo daođộng nội bởi một lazer diode ở phía thu để trộn với tín hiệu ánh sáng tới

Từ sự phân tích ở trên, ta có thể thấy sự khác nhau của các hệ thống OFDM quangchính là việc sử dụng các bộ tách sóng quang khác nhau Như vậy có 2 loại hệ thốngOFDM quang Đó đó là:

 Hệ thống OFDM quang sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DDO-OFDM),

 Hệ thống OFDM quang sử dụng kỹ thuật tách sóng Coherent (CO-OFDM)

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày nguyên lý chung của công nghệ OFDM và trên cơ sở đótrình bày nguyên lý của công nghệ OFDM quang OFDM là một hệ thống đa sóngmang trong đó luồng số liệu cần truyền được chia nhỏ và được truyền trên các sóngmang con trực giao với nhau

Chương 1 cũng trình bày các phần tử cơ bản của máy phát, máy thu OFDMquang; phân tích sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF, và phân loại các hệthống OFDM quang

Với những ưu việt của mình OFDM quang sẽ là giải pháp hiệu quả để áp dụng chocác mạng viễn thông trong tương lai Trong chương 2 sẽ trình bày về hệ thống truyềndẫn vô tuyến qua sợi quang

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF

Một trong những phương pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thôngrộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn

và cự ly xa Kỹ thuật Radio over Fiber là một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nềntảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai Tuy kỹ thuậtRoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nhưng những kếtquả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ là một kỹ thuậtcho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai Trong chương này sẽ trìnhbày tổng quan về hệ thống RoF cũng như các kĩ thuật được sử dụng trong RoF và ứngdụng của RoF

2.1 Tổng quan

2.1.1 Khái niệm

Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát.

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang

để phân phối các tín hiệu tấn số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm đến các khốianten đầu xa (RAUs), hình 2.1

Trạm trung tâm

Thiết bị đầu cuối vô tuyến/

Thiết bị di động

Mạng phân phối sợi quang

Khối antenna đầu xa

RAU RAU

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber

2.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF

Một tuyến RoF có kiến trúc như hình dưới sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biếnđổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, mộttuyến quang (song hướng hay đơn hướng)

 Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là các

thiết bị đầu cuối Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay cótích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợpchức năng truy nhập vào mạng không dây

MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS Mỗi BS sẽ phục vụmột microcell BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biếnđổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS BSgồm 2 thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quangđiện ở tần số RF Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủsóng một vùng là nhiều hay ít Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm méthoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đếnvài trăm các MH Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (dokhông có thành phần)

RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thểnối đến hàng ngàn các BS Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chứcnăng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở CS vìthế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giốngnhư tổng đài trong mạng điện thoại) CS được nối đến các tổng đài, serverkhác

Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng vớinhau

Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 2.2

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF

2.1.3 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet

a Mạng truy nhập vô tuyến hiện đại

Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động(mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định(fixed) như WiFi Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băngthông và tính di động So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơnnhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể

có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm

nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn Như vậy ta thấy rằng xu hướng của cácmạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông ngày càng tăng để đạt đượcmạng băng thông rộng.

b Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến

Để đạt được mạng băng thông tăng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô tuyếnđang hướng dần về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho các thiết bị trongmạng Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹ thuật truy nhậptiên tiến hơn như CDMA, OFDM…và có xu hướng:

 Giảm kích thước các cell lại để tăng số user lên do số lượng trạm thu phát tăng lên theo

 Chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông hơn nữa

Hai xu hướng trên có tác động qua lại chặt chẽ Đối với băng tần mm ngoài những

ưu điểm của nó như: kích thước anten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở tần số mm suyhao của nó trong không gian rất lớn Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thứcsau:

Diện tích mỗi microcell là Smicrocell   r2    3002  300.000 m2

 Cấu trúc BS thật đơn giản

 Đưa ra kiến trúc mạng tập trung

Với kiến trúc mạng tập trung, các chức năng như xử lí tín hiệu, định tuyến, chuyểngiao,… được thực hiện tại mạng trung tâm CS (Central Station), mỗi CS này phục vụcàng nhiều BS càng tốt, nhờ kiến trúc tập trung này thì rõ ràng các BS thật sự đơngiản, nhiệm vụ của chúng bay giờ chỉ còn là phát các tín hiệu vô tuyến nhận được từ

CS và chuyển các tín hiệu nhận được từ MH (Mobile Host) về CS So với các mạngcellular khác thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phátsóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lí tín hiệu (giải điều chế rồitruyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến)

Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm không

thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể truyềnđược tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km Các kĩ thuật đểtruyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kĩ thuật RoF, cònmạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô tuyếnRoF mà ta gọi tắt là mạng RoF.

2.2 Kĩ thuật RoF

2.2.1 Mô hình truyền dẫn sợi quang hiện tại

Tuyến truyền dẫn sợi quang tổng quát được mô tả như hình 2.3 Tín hiệu được sửdụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số Mộttuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phátquang, một bộ thu quang và một bộ khuếch đại

Sợi quang có các vùng cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp Tập trung khoảng 200 nmxung quanh vùng bước sóng 1300nm có suy hao nhỏ hơn 0,5 dB/km Tổng băng thôngcủa vùng này vào khoảng 25 THz Trong khi đó, tập trung khoảng tương tự tại bướcsóng 1550 nm có suy hao chỉ khoảng 0,2 dB/km Tổng cộng 2 vùng cửa sổ truyền dẫntrên cho ta băng thông tổng lên tới 50 THz Bằng việc sử dụng các vùng suy hao thấpcho việc truyền dẫn dữ liệu, tổn thât tín hiệu đối với một hoặc một tập hợp nhiều bướcsóng sẽ là rất nhỏ, do đó cần ít hơn các bộ khuếch đại và bộ lặp dọc theo tuyến truyềndẫn Thực nghiệm đã chứng minh, tín hiệu quang có thể truyền được hàng trăm km màkhông cần khuếch đại Bên cạnh ưu điểm về băng thông khổng lồ và suy hao thấp, sợiquang cũng đảm bảo cho tỉ số lỗi thấp Các hệ thống thông tin sử dụng sợi quangthường có tỉ số BER thấp hơn 10-11 Sợi quang miễn nhiễm với nhiễu điện từ và cũngkhông gây ra nhiễu Với độ linh động cao, phù hợp với các môi trường có tính ăn mòn

và có thể triển khai ở các cự li ngắn Hơn thế nữa, kích thước và độ dày nhỏ giúp choviệc triển khai các mạng khu vực trong các tòa nhà sẽ là ưu điểm lớn hơn rất nhiều sovới cáp đồng

b Bộ phát quang:

Hoạt động của Laser:

Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Việc phát xạ kích thích chophép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiềubước sóng riêng biệt)

(LASER-Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử.Nguyên tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượngthấp nhất có thể Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là cáctrạng thái Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thunăng lượng Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng tháinền bằng việc phát xạ ra photon-phân tử ánh sáng

Với một số chất nhất định, các trạng thái của chúng là gần ổn định, có nghĩa làchúng có xu hướng ở các trạng thái kích thích lâu hơn mà không bị phát xạ ngay lậptức Bằng việc hấp thụ đủ năng lượng (dưới dạng sóng bơm quang hoặc dòng điện) đủlâu đối với một chất có các trạng thái gần ổn định, hiện tượng đảo mật độ sẽ xảy ra,đồng nghĩa với việc có nhiều điện tử hơn ở trạng thái kích thích hơn là trạng thái nền

Sự đảo ngược này cho phép chất đó phát xạ nhiều ánh sáng hơn là nó hấp thụ

Hình 2.4 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc,môi trường laser và thiết bị kích thích Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môitrường laser-được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định Dòng điện sẽ kích thíchcác điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ramột photon ánh sáng

Thiết bị kích thích

Chùm sáng

Gương phản xạ

Môi trường laser

Hình 2.4: Cấu trúc chung của một laser

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon tương tác với một điện tử bị kích thích.Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền Trong quátrình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với photonkích thích Các photon có tần số tương ứng với tần số cộng hưởng sẽ được phát xạ.Giữa phát xạ bình thường và phát xạ kích thích , ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xâydựng cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nóđược đưa vào Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường

độ cao Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới

dạng các chùm sáng hẹp tập trung Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điềuchỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ.

Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó vàđược tính theo công thức :

f = E i−E f h

(2.2)

với f là tần số photon, E i là trạng thái kích thích của điện tử, E f là trạng thái nền

của điện tử, h là hằng số Planck (6,626 x 10 -34 J.s)

Các laser diode bán dẫn

Loại laser phù hợp nhất với mạng quang là laser diode bán dẫn Trong vật liệu bándẫn, các điện tử có thể tồn tại ở vùng dẫn hoặc vùng hóa trị Vùng hóa trị và vùng dẫntương tự như trạng thái nền và trạng thái kích thích của điện tử Vùng hóa trị đại diệncho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ không tự do thoát khỏi nguyên tử.Vùng dẫn đại diện cho một mức năng lượng mà tại đó một điện tử sẽ trở thành mộtđiện tử tự do và có thể di chuyển có hướng để tạo ra dòng điện Vùng năng lượng giữavùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm Một điện tử có thể không chiếm bất kì mứcnăng lượng nào trong vùng cấm Khi một điện tử di chuyển từ vùng hóa trị sang vùngdẫn, nó sẽ tạo ra một lỗ trống trong vùng hóa trị Khi điện tử chuyển từ vùng dẫn vềvùng hóa trị, nó sẽ kết hợp với lỗ trống và phát xạ tự phát Tần số của photon được

tính theo công thức ở trên với E i – E f là năng lượng vùng cấm

Một chất bán dẫn có thể pha tạp với các tạp chất để gia tăng số lượng điện tử hay

lỗ trống Bán dẫn loại n được pha với tạp chất để tăng số lượng điện tử Các điện tửnày sẽ duy trì ở vùng dẫn Bán dẫn loại p được pha với tạp chất để tăng số lượng lỗtrống ở vùng hóa trị Tiếp giáp p-n sẽ được hình thành bởi lớp vật liệu bán dẫn loại p

và vật liệu bán dẫn loại n

Với mục đích tạo ra phát xạ kích thích, điện thế được đặt vào tiếp giáp p-n đểphân cực thiết bị và làm cho các điện tử ở vùng n kết hợp với các lỗ trống ở vùng p,dẫn tới năng lượng ánh sáng được giải phóng tại tần số có liên quan tới vùng cấm củathiết bị Bằng việc sử dụng các vật liệu bán dẫn khác nhau, ánh sáng với dải tần sốthay đổi có thể được sinh ra Tần số thực tế của ánh sáng phát xạ ra bởi laser còn đượcquyết định bởi chiều dài hốc cộng hưởng

Trong các hệ thống sử dụng OOK, điều chế tín hiệu cần được thực hiện đơn giảnbằng việc tắt hoặc mở laser (điều chế trực tiếp) Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn tới hiệntượng chirp hay là sự biến đổi biên độ và tần số của laser khi laser được bật Mộtphương pháp khác được sử dụng cho tốc độ bit cao (>=10Gbps) là sử dụng điều chếngoài hay là điều chế ánh sáng đã ra khỏi laser Với phương pháp này, người ta thường

sử dụng giao thoa kế Mach Zehnder hay các bộ điều chế hấp thụ điện

c Bộ thu quang:

Với kĩ thuật tách sóng trực tiếp, một bộ tách quang sẽ chuyển đổi dòng photon vàothành dòng điện Dòng điện sau đó được khuếch đại và đưa qua thiết bị quyết địnhngưỡng Quyết định chọn bit 0 hay bit 1 pục thuộc vào dòng thu được ở mức trên haydưới ngưỡng định trước trong suốt thời gian 1 bit Thiết bị tách sóng cơ bản dùng chocác mạng quang tách sóng trực tiếp là diode quang PN (có 1 tiếp giáp p-n), diode kiểuPIN và diode kiểu thác APD Ở dạng đơn giản nhất, các photodiode là một tiếp giáp p-

n phân cực ngược Thông qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng vào tiếp giáp sẽ tạo racác cặp điện tử-lỗ trống ở cả vùng p và n trong photodiode Các điện tử được giảiphóng trong vùng p sẽ vượt qua vùng n và ngược lại, do đó sinh ra dòng điện

d Bộ khuếch đại quang:

Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phảikhuếch đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đạiquang Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nóchỉ thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lạitín hiệu Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu (quátrình khuếch đại độc lập với kiểu điều chế tín hiệu) Các bộ khuếch đại 1R là sự lựachọn cho các mạng toàn quang trong tương lai Các bộ khuếch đại quang-điện có thểthực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời Tín hiệu quang

đi vào bộ khuếch đại quang-điện đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và trướckhi truyền đi sẽ lại được chuyển sang miền quang Việc định dạng lại tín hiệu sẽ địnhlại dạng xung ban đầu của mỗi bit, loại bỏ đi nhiễu Việc định dạng lại chủ yếu ápdụng cho tín hiệu được điều chế số nhưng trong một vài trường hợp nó vẫn được ápdụng với các tín hiệu tương tự Việc định thời lại tín hiệu sẽ đồng bộ bit thời gianchuẩn và tốc độ bit và chỉ áp dụng cho tín hiệu được điều chế số

Khuếch đại quang sử dụng nguyên lý phát xạ kích thích, tương tự như nguyên lýđược sử dụng trong laser Hai loại bộ khuếch đại quang cơ bản là bộ khuếch đại quangbán dẫn và bộ khuếch đại quang sợi pha tạp phần tử đất hiếm (như erbium, holmium,neodymium…) Các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp sử dụng sợi quang được pha vớimột nguyên tố (đất hiếm) làm môi trường khuếch đại ánh sáng Nguyên tố được sửdụng nhiều nhất là erbium, cung cấp độ khuếch đại đối với các bước sóng 1525-1560

nm Đối với các bộ khuếch đại này, một laser phát công suất lớn ở một bước sóngngắn hơn (còn gọi là bước sóng bơm) được ghép vào sợi quang Tín hiệu bơm sẽ kích

thích các nguyên tử được pha trộn lên một mức năng lượng cao hơn Điều này chophép photon ánh sáng tín hiệu kích thích các nguyên tử ở mức năng lượng cao làmchúng giải phóng ra photon Hầu hết các bộ khuếch đại EDFA đều được bơm bằnglaser tại bước sóng 980 hoặc 1480 nm.

Một hạn chế của khuếch đại quang là phổ khuếch đại không đồng đều Tức là bộkhuếch đại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu trong một dải bước sóng, nhưng

hệ số khuếch đại đối với các bước sóng này là khác nhau Ngoài ra, các bộ khuếch đạikhông những khuếch đại công suất tín hiệu mà còn khuếch đại cả công suất nhiễu Bảnthân bộ khuếch đại cũng gây thêm nhiễu do hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tại vùngtích cực Chính các đặc tính này sẽ giới hạn hiệu quả của hệ thống Do vậy, tín hiệuquang nhiều bước sóng sau khi đi qua một loạt các bộ khuếch đại dẫn tới công suất củacác bước sóng là không như nhau

Coupler là khái niệm chung chỉ các thiết bị kết hợp hoặc phân tách ánh sáng rakhỏi sợi quang Khi hoạt động như một bộ chia quang, coupler chia tín hiệu quang từ 1sợi quang vào 2 hay nhiều sợi quang, phổ biến nhất là bộ chia 1x2 Tỉ số chia, , làtổng công suất qua mỗi đầu ra Khi thực hiện chức năng kết hợp, coupler thực hiệnchứa năng ngược lại so với bộ chia Tín hiệu qua coupler sẽ phải chịu suy hao phản xạ

và suy hao chèn Nếu tín hiệu đi vào đầu vào coupler, thì gần như một nửa công suấttín hiệu sẽ ở mỗi đầu ra Tuy nhiên, một lượng nhỏ công suất sẽ phản xạ lại hướngngược lại và trực tiếp quay trở lại đầu vào của coupler Trong khi đó, suy hao chèn xảy

ra khi ánh sáng truyền trực tiếp từ sợi quang vào coupler do trục của lõi sợi quangkhông thật sự thẳng hàng với trục của đầu vào coupler

f Các tham số trong hệ thống thông tin quang

Suy hao: Suy hao trong sợi quang dẫn tới sự suy giảm công suất tín hiệu khi

truyền tín hiệu đi xa Để xác định được khoảng cách truyền lớn nhất, tín hiệu đượcphát đi với một công suất phát và độ nhạy máy thu định trước Với P(L) là công suấtxung quang tại tại khoảng cách L (km) từ máy phát và A là hệ số suy hao của sợiquang (tính theo dB/km) Suy hao được đặc trưng bởi công thức:

P ( L)=10−AL/ 10 P (0) (2.3)

với P(0) là công suất quang tại máy phát.

Tán sắc: Tán sắc là sự dãn rộng xung trong suốt quá trình xung được truyền qua

sợi quang Do đó, tán sắc gây nên nhiễu liên kí tự ISI Đồng thời tán sắc giới hạnkhoảng cách giữa các bit và tốc độ truyền dẫn tối đa đối với kênh quang

Có các loại tán sắc là:

- Tán sắc mode (đối với sợi quang đa mode): Xảy ra khi nhiều mode truyền đối

với cùng một tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang Tán sắcmode không xảy ra trong sợi quang đơn mode