Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếpNghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN TRỌNG TÙNG ANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8520208 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ĐỨC NHÂN Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lục: ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn Thơng PHẦN MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển nhu cầu người trao đổi thông tin ngày lớn, từ dẫn đến đòi hỏi mạng lưới viễn thơng phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Do sử dụng truyền dẫn quang với băng thông cực lớn công nghệ tảng để đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên tăng nhanh nhu cầu băng thơng đòi hỏi giải pháp nâng cao hiệu sử dụng băng tần truyền sợi quang nữa, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) quang lựa chọn quan tâm nghiên cứu mạnh năm gần Đây kỹ thuật không cho phép sử dụng hiệu phổ tần số mà làm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi quang giới hạn hệ thống hoạt động tốc độ cao Với hệ thống quang cự ly ngắn, khơng đòi hỏi ngặt nghèo hiệu sử dụng phổ tần số, giải pháp sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation with Direct Detection - IM/DD) sử dụng phổ biến đơn giản cấu trúc phát, thu dễ thực Trong ứng dụng cho mạng truy nhập mạng vùng đô thị với khoảng cách truyền dẫn không lớn dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM lựa chọn phù hợp tính kinh tế dễ triển khai Tuy nhiên khác với hệ thống OFDM vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp chịu ảnh hưởng phi tuyến sợi quang giới hạn hiệu hệ thống Với mục đích khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hiệu hệ thống OFDM quang, từ đánh giá điều kiện giới hạn đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống, luận văn thực với cấc nội dung sau đây: Chương 1:Tổng quan kỹ thuật OFDM hệ thống quang Chương 2: Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống quang sợi Chương 3: Khảo sát hiệu hệ thống OFDM quang thu trực tiếp ảnh hưởng phi tuyến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG QUANG 1.1 Mở đầu Xã hội ngày phát triển nhu cầu người trao đổi thơng tin ngày lớn, từ dẫn đến đòi hỏi mạng lưới viễn thơng phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Với tăng nhanh nhu cầu băng thơng đòi hỏi giải pháp nâng cao hiệu sử dụng băng tần truyền sợi quang nữa, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) quang lựa chọn quan tâm nghiên cứu mạnh năm gần Đây kỹ thuật không cho phép sử dụng hiệu phổ tần số mà làm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi quang giới hạn hệ thống hoạt động tốc độ cao Với mục đích làm rõ đưa giải pháp để tối ưu hiệu hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD), chương luận văn tìm hiểu tổng quan kỹ thuật OFDM nói chung, từ nêu lên giải pháp tạo tín hiệu OFDM hệ thống quang tham số ảnh hưởng đến hiệu hệ thống 1.2 Tiến trình phát triển ứng dụng OFDM Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trải qua nhiều năm hình thành phát triển nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới 1.3 Đơn sóng mang đa sóng mang 1.3.1 Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier) Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu phức tạp Đây nguyên nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 1.3.2 Đa sóng mang (Multi - Carrier) Nếu hệ thống truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, hệ thống gọi đa sóng mang Mỗi sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích 1.4 Ngun lý hoạt động OFDM Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao Vì khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ ký hiệu OFDM Hình 1.1 Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng liệu song song sau đưa qua khối mã hóa liệu điều chế số để mã hoá liệu dạng số, mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Sau đó, ký hiệu hỗn hợp đưa qua biến đổi IFFT tạo đặc trưng trực giao sóng mang Tín hiệu sau trực giao hóa nhờ IFFT chuyển đổi trở dạng liệu nối tiếp chuyển đổi song song - nối tiếp (P/S) Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vô tuyến đa đường Sau chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền kênh Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, trình thực ngược lại với trình phát Tín hiệu lấy mẫu sau qua biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số Tiếp đến, phần CP loại bỏ Sau loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu đưa qua biến đổi S/P để chuyển từ dạng nối tiếp sang song song, đưa qua biến đổi FFT Các kí hiệu hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Các kí hiệu song song sau FFT chuyển dạng nối tiếp qua P/S Cuối thu nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu 1.5 Phương pháp điều chế OFDM Trước tìm hiểu phương pháp điều chế OFDM, tìm hiểu phương pháp điều chế đơn song mang đa sóng mang Từ nhận thấy ưu điểm phương pháp điều chế OFDM 1.5.1 Điều chế đơn sóng mang Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu truyền tồn băng tần B, có nghĩa tần số lấy mẫu hệ thống độ rộng băng tần tín hiệu có độ dài là: Tsc 1/ B 1.5.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang đời để cải thiện nhược điểm phương pháp điều chế đơn sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang hiểu tồn băng tần hệ thống chia làm nhiều băng với sóng mang phụ cho băng tần khác Hệ tỷ số tương đối trễ truyền dẫn độ dài mẫu tín hiệu điều chế đa sóng mang giảm Nc lần vậy, ảnh hưởng nhiễu liên tín hiệu gây trễ truyền dẫn giảm 1.5.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu sử dụng băng tần hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần Ngược lại kênh phụ thuộc khoảng cách nhật định làm giảm hiệu sử dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần có ưu điểm điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với sóng mang phụ trực giao Các bước điều chế tín hiệu OFDM: (1) Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song (2) Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức (3) Tiến hành điều chế sóng mang phụ 𝑡 (4) Nhân với hàm phức 𝑒 𝑗𝑛𝜔𝑠 (5) Tạo khoảng bảo vệ 1.6 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD) Các giải pháp điều chế giải điều chế tín hiệu OFDM – quang chia làm hai loại tuỳ thuộc vào phạm vi hệ thống truyền dẫn Với hệ thống quang cự ly ngắn, khơng đòi hỏi ngặt nghèo hiệu sử dụng phổ tần số, giải pháp sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (intensity modulated and direct detected: IM / DD) liên kết sợi PON sử dụng phổ biến đơn giản cấu trúc phát, thu dễ thực Mơ hình hệ thống OFDM quang thu trực tiếp tầm ngắn thể hình 1.3 Hình 1.3 Mơ hình hệ thống OFDM IM / DD tầm ngắn 1.7 Ứng dụng OFDM mạng quang thụ động OFDM-PON kết hợp với hệ thống WDM để tăng cường cung cấp băng thơng, trở thành cơng nghệ cạnh tranh sau OFDM PON có ưu điểm sau: - Tăng cường hiệu quang phổ: tính trực giao sóng mang OFDM cho phép chồng chéo quang phổ kênh phụ riêng lẻ - OFDM công nghệ trưởng thành truyền thông không dây áp dụng cho WiMAX, WiFi UWB (Ultra-Wideband) Bằng cách sử dụng OFDM để mang tín hiệu PON, OFDM hỗ trợ truy cập OFDM baseband, UWB, WiMAX, WiFi tín hiệu OFDM sóng millimet 1.8 Kết luận chương Kỹ thuật OFDM quang có nhiều lợi ích mà kỹ thuật ghép kênh khác khơng có Kỹ thuật làm cho thông tin truyền với tốc độ cao cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên sóng mang nên tượng nhiễu liên sóng mang ICI loại bỏ, sóng mang phụ trực giao nên sóng mang chồng lấn lên mà phía thu tách dẫn đến hiệu sử dụng băng thông hệ thống hiệu CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG QUANG SỢI 2.1 Mở đầu Trong ứng dụng cho mạng truy nhập mạng vùng đô thị với khoảng cách truyền dẫn không lớn dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM lựa chọn phù hợp tính kinh tế dễ triển khai Sự kết hợp với kỹ thuật WDM làm tăng lực tính cạnh tranh cho toàn giải pháp Tuy nhiên khác với hệ thống OFDM vơ tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp chịu ảnh hưởng phi tuyến sợi quang giới hạn hiệu hệ thống Ảnh hưởng trở thành yếu tố cần xem xét điều kiện khoảng cách hệ thống mở rộng đòi hỏi quỹ công suất lớn việc nâng công suất phát kênh truyền Do chương này, luận văn trình bày hiệu ứng phi tuyến sợi quang thơng qua làm rõ tượng, tính chất, ảnh hưởng chúng hệ thống truyền dẫn quang nói chung hệ thống OFDM quang nói riêng 2.2 Hệ thống truyền dẫn quang sợi Hệ thống truyền thơng quang hệ thống sóng ánh sáng truyền thơng tin thơng qua sợi quang Hình 2.1 Hệ thống truyền thông quang học 2.3 Ảnh hưởng phi tuyến hệ thống quang sợi 2.3.1 Khái niệm hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến quan sợi xảy thay đổi hệ số khúc xạ sợi tượng tán xạ không đàn hồi Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xuất tốc độ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng cơng suất quang tăng lên 2.3.2 Ngun nhân gây hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến xuất công suất quang phát đường truyền tăng đến mức đủ lớn Nguyên nhân gây tương yếu tố: - Sự phụ thuộc số chiết suất n vào công suất ánh sáng: n=n0 + n2 𝑃0 𝐴𝑒𝑓𝑓 (2.1) Trong đó:n0: số chiết suất tuyến tính n2: số chiết suất phi tuyến Giá trị điển hình n2 thủy tinh silic 3,2.10-20m2/W không phụ thuộc vào bước sóng Leff -chiều dài hiệu dụng, Aeff - diện tích hiệu dụng, Ieff - cường độ hiệu dụng - Yếu tố thứ gây hiệu ứng phi tuyến tượng tán xạ kích thích hiệu ứng tán xạ Raman kích thích, hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích 2.3.3 Phân loại hiệu ứng phi tuyến Hình 2.2 Phân loại hiệu ứng phi tuyến hệ thống thông tin quang 10 Hiện tượng tán xạ SRS không xảy hệ thống quang đơn kênh mức ngưỡng tương đối cao nó, khoảng 500mW gần bước sóng 1550nm Trong hệ thống OFDM quang, sợi quang hoạt động khếch đại Raman, kênh có bước sóng dài khuếch đại kênh có bước sóng ngắn 2.3.4.2 Tán xạ kích thích Brillouin – SBS * Nguyên nhân Tán xạ kích thích Brillouin SBS, xảy trường điện từ kích thích sóng âm mơi trường chất Khi có hình thành bước sóng Stoke dài bước sóng ánh sáng tới, phần ánh sáng bị tán xạ phonon âm học làm cho phần ánh sáng bị tán xạ dịch tới bước sóng dài Tính chất - Tán xạ SBS xảy dải tần hẹp ∆𝑓=20MHz bước sóng 1550nm - Khơng gây tác động qua lại bước sóng khác khoảng cách bước sóng > 20MHz - Tạo độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu (hướng nguồn) làm suy giảm tín hiệu mạnh * Ảnh hưởng: Trong hệ thống quang, SBS làm suy yếu lượng tín hiệu tới, lượng làm giảm khoảng cách độ sợi quang cho phép 2.3.5 Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến Sự phụ thuộc số chiết suất n vào cường độ trường sóng ánh sáng gọi hiệu ứng chiết suất phi tuyến Trong đó, tồn trường tham gia vào tương tác phi tuyến tần số Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến xảy phụ thuộc độ cảm môi trường vào cường độ trường E Biểu thức vector phân cực: P E (2.2) Tuy nhiên môi trường phi tuyến, biểu thức vector phân cực biểu diễn sau: P (1) E (2) E (3) E Trong đó: 𝜀0 : Hằng số điện mô𝑖, 𝑋 𝑖 : Độ cảm bậc i môi trường (2.3) 11 2.3.5.1 Hiệu ứng tự điều pha SPM Nguyên nhân Hiệu ứng tự điều pha (Self-Phase Modulation: SPM) làm cho phổ tín hiệu truyền bị dãn rộng trình truyền dẫn Chiết suất môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền Sự dịch tần phi truyến làm cho sườn trước xung dịch đến tần số 𝜔 < 𝜔0 sườn sau xung dịch đến tần số 𝜔 > 𝜔0 Chính điều làm phổ tín hiệu bị mở rộng q trình truyền dẫn Tính chất: Ta có pha tạo trường E theo chiều dài cáp quang L cho bởi: 2 nL (2.4) với bước sóng xung quang truyền sợi có chiết suất n Đối với sợi quang hệ thống có cơng suất truyền lớn n L thay neff Leff tương ứng: 2 2 neff Leff nl nnl I Leff (2.5) (2.6) Thành phần vế bên phải phần tuyến tính hệ số pha 1 thành phần thứ hai là hệ số pha phi tuyến nl Ảnh hưởng: Hiệu ứng tự điều pha SPM dẫn đến giao thoa gây nhiễu kênh, đặc biệt khoảng cách kênh gần Giải pháp để hiệu ứng tự điều pha SPM không ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang, cần giữ nl với mức cho phép lớn 0.1 2.3.5.2 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM Nguyên nhân 12 Khi hay nhiều sóng quang lan truyền sợi quang, chúng tương tác với qua tính phi tuyến sợi quang XPM hiệu ứng phi tuyến có ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn hệ thống, đặc biệt hệ thống truyền dẫn đa kênh Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM xảy có nhiều kênh đường truyền Sự phụ thuộc độ dịch pha kênh vào cường độ kênh Tính chất: Đối với hệ thống N kênh truyền, độ dịch kênh thứ i N Leff Pi 2 Pn n i i nl (2.7) ̅̅̅̅̅ Trong đó: N số kênh, Pi cơng suất kênh i (i=1, 𝑁) Hệ số XPM ảnh hưởng lần SPM với công suất Độ dịch pha tổng phụ thuộc vào tất kênh thay đổi bit phụ thuộc vào kiểu bit kênh lân cận Ảnh hưởng: Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông qua chế chirp tần tán sắc với SPM Việc dịch pha XPM xảy hai xung hai kênh khác xếp chồng đồng thời 2.3.6 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM Nguyên nhân Sự phụ thuộc số chiết suất vào cường độ có nguồn gốc từ độ cảm phi tuyến bậc biểu diễn 𝜒 (3) Nếu trường quang với tần số sóng mang 𝜔1 , 𝜔2 , 𝜔3 lan truyền đồng thời sợi 𝜒 (3) tạo trường thứ tư mà tần số 𝜔4 liên quan với tần số khác qua công thức 𝜔4 = 𝜔1 ± 𝜔2 ± 𝜔3 (2.8) Hệ thống đa kênh sử dụng nhiều tần số sóng 𝜔1, 𝜔2, 𝜔3, , … , 𝜔𝑛 Các nhóm tần số tương tác với tạo thành tần số Tương tác xuất hiện: bước sóng tín hiệu hệ thống, bước sóng tín hiệu với 13 tạp âm ASE khuếch đại quang sóng mang kênh truyền Tính chất Hiệu ứng phi tuyến bậc ba có cơng thức sau: PNL 3 E (2.9) 𝜔4 = 𝜔1 + 𝜔2 − 𝜔3 (2.10) Bảo tồn lượng: Hiệu ứng khơng phụ thuộc vào tốc độ bit, mà phụ thuộc khoảng cách kênh tính tán sắc sợi Ảnh hưởng Hiệu ứng trộn bước sóng FWM giảm cơng suất kênh tín hiệu hệ thống Nếu khoảng cách kênh tần số tạo rơi vào kênh tín hiệu, điều gây nhiễu cho hệ thống Bên cạnh đó, hiệu ứng FWM làm giảm chất lượng BER (tỉ lệ lỗi bit) hệ thống, làm cho khoảng cách kênh hệ thống nhỏ, điều hạn chế dung lượng cự ly truyền dẫn hệ thống FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh, ảnh hưởng nghiêm trọng với hệ thống đa kênh 2.4 Kết luận chương Trong chương 2, luận văn trình bày khái niệm phân loại hiệu ứng phi tuyến hệ thống thông tin quang Bên cạnh đó, chương này, luận văn tìm hiểu hiệu ứng phi tuyến sợi quang thông qua việc làm rõ tượng, tính chất, ảnh hưởng chúng hệ thống truyền dẫn quang nói chung Đối với hệ thống OFDM quang gồm nhiều sóng mang con, hiệu ứng XPM FWM nhữn hiệu ứng giới hạn hiệu hệ thống Đây sở để xây dựng mơ hình khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD) trình bày chương luận văn 14 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN 3.1 Mở đầu OFDM coi định dạng điều chế mạnh mẽ sử dụng mạng quang sợi có khoảng cách khác mạng quang thụ động (PONs), mạng đô thị đường dài Tất mạng có lợi từ ưu điểm OFDM bao gồm hiệu suất phổ cao, khả đa truy nhập ,và khả bỏ qua nhiễu xuyên kí hiệu nhiễu xuyên kênh Các mạng quang thụ động hệ sử dụng hệ thống OFDM điều biến cường độ thu trực tiếp (IM-DD) giải pháp mạnh mẽ để cung cấp hiệu suất quang phổ cao, truy nhập nhiều người dùng, khả mở rộng, chi phí triển khai quản lý thấp Phổ biến cho tất mạng hệ tính chất tín hiệu DSBOFDM giải pháp DD hiệu chi phí Trong hệ thống OFDM quang quan tâm nay, hiệu ứng phi tuyến thách thức cần giải Sự suy giảm gây phi tuyến sợi quang mối quan tâm hệ thống truyền dẫn OFDM quang nói chung hệ thống tầm OFDM quang IM-DD số lượng kênh cao, khoảng cách kênh giảm mức công suất quang lớn đưa vào sợi để giảm ràng buộc chi phí công suất Thêm nữa, hệ thống OFDM quang kết hợp sử dụng ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) ảnh hưởng phi tuyến tăng cường Trong số hiệu ứng sợi phi tuyến, tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM), trộn bốn sóng (FWM) xem hiệu ứng ảnh hưởng quan trọng điều kiện truyền dẫn khác Trong phạm vi giới hạn luận văn, ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hệ thống IM-DD OFDM quang ứng dụng kiểu kiến trúc mạng WDM-PON phân tích khảo sát thơng qua mô 15 3.2 Ảnh hưởng quang phi tuyến hệ thống OFDM điều biến cường độ thu trực tiếp 3.2.1 Ảnh hưởng hiệu ứng FWM Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM tạo tập kênh quang học, với kênh bao gồm thành phần sóng liên tục (CW) tín hiệu điều biến 3.2.1.1 Mơ hình phân tích hiệu ứng Hình 3.1 minh hoạ phổ (sóng mang tín hiệu điều biến DSB-OFDM) ba kênh bơm đầu vào hệ thống OFDM DSB sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM thành phần FWM tạo đầu sợi Mỗi kênh quang đầu vào sợi thu cách điều chế cường độ laser sử dụng điều biến Mach-Zehnder Hình 3.1 Mơ hình phổ (sóng mang quang tín hiệu DSB-OFDM điều chế) kênh quang tín hiệu WDM đầu vào sợi, thành phần sóng mang – sóng mang sóng mang – tín hiệu FWM tương ứng đầu sợi 16 3.2.1.2 Phương sai thành phần nhiễu FWM Ta có tổng phương sai, cho công thức sau [8]: FWM ,t [k ] N FWM i 1 FWM ,i k (3.1) Độ lớn vector sai số (EVM) gây hiệu ứng FWM subcarrier hệ thống OFDM quang ước tính từ tổng phương sai suy biến FWM gây công thức: FWM ,t [k ] ˆ k EVM [ k ] FWM , n ps k (3.2) Trong đó: ps[k], 𝜎𝐹𝑊𝑀,𝑛 [k] cơng suất trung bình phương sai chuẩn FWM subcarrier thứ k đầu máy thu OFDM EVM hiệu ứng FWM tính cách tính trung bình EVM sóng mang OFDM 3.2.2 Ảnh hưởng hiệu ứng XPM 3.2.2.1 Mô tả ảnh hưởng: Hình 3.2 mơ tả phổ (sóng mang tín hiệu DSB-OFDM điều chế) kênh đầu vào tín hiệu WDM hệ thống DSB-OFDM quang 17 Hình 3.2: Mơ tả phổ (sóng mang tín hiệu DSB-OFDM điều chế) kênh tín hiệu WDM đầu vào sợi quang, tín hiệu thành phần méo XPM tương ứng đầu sợi quang 3.2.2.2 Phương sai thành phần nhiễu XPM: Phương sai chuẩn dao động gây XPM sóng mang thứ k đầu hệ thống dùng OFDM, n2 k , bao gồm hạ tần, FFT cân bằng, tính bởi: (3.3) với Ps k cơng suất điện trung bình sóng mang thu thứ k, S p ,i f PSD nhiễu IM thứ i đầu sợi quang, H LPF ( f ) hàm truyền đạt LPF đầu PIN, M số kênh nhiễu H XPM , p ,i ( f ) hàm truyền đạt mơ hình tuyến tính tương ứng IM gây XPM theo kênh nhiễu thứ i, tính [9]: 18 (3.4) với P XPM ,i ( ) tính từ phương trình (3.15) với thông số kênh nhiễu thứ i 3.3 Khảo sát ảnh hưởng phi tuyến lên hiệu hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 3.3.1 Mơ hình khảo sát Mơ hình hệ thống WDM-PON đưa dựa tham khảo từ hình 3.3 Theo mơ hình đưa sử dụng kênh OFDM sử dụng điều chế 4QAM với bước sóng có khoảng cách kênh nhau, đưa qua ghép kênh WDM truyền sợi quang đơn mode Tín hiệu quang thu qua giải ghép kênh WDM Demux thu trực tiếp Photodetector PIN riêng cho bước sóng Hiệu hệ thống đánh giá qua tham số EVM tính dựa tính phương sai sai số chòm tín hiệu thu – phát Hình 3.3: Sơ đồ mơ hình khảo sát hệ thống WDM-PON 3.3.2 Hệ thống mô Khảo sát thực phần mềm mô Optisystem v14, kết hợp sử dụng Matlab để biểu diễn đồ thị kết thu 19 3.3.2.1 Mơ hình 1: Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh: Hình 3.4: Mơ hình OFDM quang thu trực tiếp sử dụng kênh truyền tín hiệu Bảng 1: Tham số hệ thống OFDM đơn kênh Hệ thống OFDM quang Giá trị tham thu trực tiếp số Tốc độ bit 10 Gb/s Tần số laser phát 193.1 Thz Bộ khuếch đại quang dB Kỹ thuật điều chế băng gốc 4-QAM Số sóng mang OFDM 512 Độ dài chuỗi bit 8192 bits Tỉ lệ dập tắt đ/c MZM 30 dB Độ nhạy máy thu PIN A/W 20 Hình 3.5: Mơ hình OFDM quang thu trực tiếp với hệ thống kênh WDM PON Bảng 2: Tham số hệ thống kênh WDM-PON Hệ thống OFDM quang Giá trị tham số thu trực tiếp Tốc độ bit 10 Gb/s Tần số laser phát kênh 193.05 Thz / 193.075 Thz Tần số laser phát kênh 193.1 Thz Tần số laser phát kênh 193.125 Thz / 193.15 Thz Tần số laser phát kênh 193.15 Thz / 193.2 Thz Bộ khuếch đại quang dB Kỹ thuật điều chế băng gốc 4-QAM Số sóng mang OFDM 512 Độ dài chuỗi bit 8192 bits Tỉ lệ dập tắt đ/c MZM 30 dB Độ nhạy máy thu PIN A/W 21 3.4 Kết mô 3.4.1 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh Với hệ thống đơn kênh, ảnh hưởng phi tuyến chủ yếu hiệu ứng tự điều pha SPM sóng mang Thiết lập sợi quang chiều dài 20km, suy hao 0.2 dB/km, với trường hợp: tán sắc 16 ps/nm/km, dốc tán sắc 0.075 ps/nm2/km tán sắc ps/nm/km, dốc tán sắc 0.01 ps/nm2/km Để thấy ảnh hưởng phi tuyến, tham số hiệu EVM hệ thống đo mức công suất laser phát CW khác Tham số EVM(%) mức cơng suất sợi quang đo, sau chuyển sang dB với công thức EVM (dB) 20log10 EVM (%) Hình 3.6: Biên độ vector lỗi (EVM) hệ thống OFDM đơn kênh Nhận xét: Từ đồ thị vector lỗi EVM cho thấy rõ hệ thống OFDM quang đơn kênh bắt đầu bị tác động phi tuyến công suất tổng đưa vào sợi lớn 11 dBm, ảnh hưởng gây hiệu ứng tự điều pha SPM Khi tán sắc kênh lớn, ảnh hưởng hiệu ứng SPM lên hệ thống tăng theo Hệ thống OFDM thu trực tiếp bỏ qua tham số pha tín hiệu quang, nhiên tán sắc sợi lớn ảnh hưởng đến cường độ nhiễu gây trình chuyển đổi từ điều biến pha sang điều biến cường độ, tăng cường thêm nhiễu điều biến cường độ tín hiệu thu 22 3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp kênh WDM Để đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng điều chế pha chéo XPM trộn bốn sóng FWM lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp, mơ hình hệ thống OFDM quang thu trực tiếp sử dụng kĩ thuật ghép kênh WDM đưa để khảo sát 3.4.2.1 Trường hợp sử dụng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn dài 20km Hệ thống sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc 16 ps/nm/km độ dốc tán sắc 0.075 ps/nm2/km bước sóng 1550 nm Hình 3.7: EVM kênh 193.05 THz (xanh) 193.1 Thz (đỏ) hệ thống WDM OFDM Nhận xét: Do có kênh truyền nên hệ thống chịu thêm ảnh hưởng FWM XPM, dẫn đến tác động phi tuyến lên hệ thống trở nên mạnh so với hệ thống đơn kênh Từ kết hình 3.7 cho thấy hệ thống bị suy giảm công suất tổng đưa vào sợi lớn dBm, thấp dB so với hệ thống đơn kênh Mức EVM tối thiểu tăng lớn dB so với hệ thống đơn kênh Cụ thể hơn, kênh (193.05 Thz) chịu ảnh hưởng tác động kênh (193.1 Thz) kênh nên bị nhiều tác động phi tuyến so với kênh bên Trong trường hợp sử dụng sợi đơn mode chuẩn thấy ảnh hưởng XPM chiếm ưu so với hiệu ứng khác Do hiệu ứng FWM sợi tán sắc lớn bị suy giảm nhanh điều kiện phối hợp pha, ảnh hưởng XPM tăng lên sợi tán sắc lớn kết trình chuyển đổi PM-IM 23 3.4.2.2 Trường hợp sử dụng sợi quang dịch tán sắc dài 20km Sợi dịch tán sắc có tán sắc ps/nm/km, dốc tán sắc 0.01 ps/nm2/km 1550 nm Hình 3.8: So sánh EVM kênh (193.1 Thz) Nhận xét: Ta thấy giảm tán sắc sợi quang ảnh hưởng hiệu ứng XPM bị giảm chuyển đổi PM-IM giảm, thay vào ảnh hưởng FWM tăng cường điều kiện phối hợp pha kênh dễ thỏa mãn Hình 3.8 cho thấy hiệu hệ thống sử dụng sợi dịch tán sắc bị suy giảm công suất tổng lớn dBm, giảm dB so với trường hợp trước Hơn EVM tối thiểu tăng lên dB so với trước Để xem xét ảnh hưởng khoảng cách kênh hệ thống khảo sát với khoảng cách kênh giảm xuống 25Ghz Khi thu hẹp khoảng cách kênh, khả phối hợp pha kênh tốt làm ảnh hưởng hiệu ứng FWM tăng lên dẫn đến hệ thống bị suy giảm hiệu nhanh chóng Điều làm hạn chế khả tận dụng phổ hệ thống OFDM thu trực tiếp 3.4 Kết luận chương Chương luận văn sâu phân tích ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống OFDM quang thu trực tiếp mặt lý thuyết có, từ xây dựng hai mơ hình mơ với tham số thích hợp đưa kết 24 đánh giá hiệu hệ thống ảnh hưởng phi tuyến Dựa vào kết thu để đưa giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng phi tuyến tăng cường hiệu hệ thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong ứng dụng cho mạng truy nhập mạng vùng đô thị với khoảng cách truyền dẫn không lớn dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DDOFDM lựa chọn phù hợp tính kinh tế dễ triển khai Tuy nhiên khác với hệ thống OFDM vơ tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp chịu ảnh hưởng phi tuyến sợi quang giới hạn hiệu hệ thống Luận văn xem xét ảnh hưởng phi tuyến quang đến hoạt động hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM PON IM/DD) Từ phân tích ảnh hưởng phi tuyến sợi quang tham số nhiễu phi tuyến gây tiền đề để đưa mơ hình khảo sát chương luận văn Bằng cách sử dụng phần mềm mô Optisystem v14.0 để tính tốn giá trị EVM hệ thống mơ hình, luận văn làm rõ ảnh hưởng phi tuyến lên hiệu hệ thống, đồng thời thay đổi hiệu hệ thống thông qua việc thay đổi tham số mơ hình khảo sát Từ đưa kết luận ảnh hưởng phi tuyến hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đưa giải pháp để hạn chế tối đa ảnh hương Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu thêm ảnh hưởng phi tuyến hệ thống OFDM quang khác đề xuất giải pháp để cải thiện hiệu hệ thống ... với hệ thống OFDM vơ tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp chịu ảnh hưởng phi tuyến sợi quang giới hạn hiệu hệ thống Với mục đích khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hiệu hệ thống OFDM. .. Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến hệ thống quang sợi Chương 3: Khảo sát hiệu hệ thống OFDM quang thu trực tiếp ảnh hưởng phi tuyến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THU T OFDM TRONG HỆ THỐNG QUANG 1.1 Mở đầu Xã... hiệu thu 22 3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp kênh WDM Để đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng điều chế pha chéo XPM trộn bốn sóng FWM lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp, mô hình hệ thống OFDM quang