KỸ THUẬT OFDM CHO hệ THỐNG QUANG ROF (RADIO OVER FIBER)

KỸ THUẬT OFDM CHO hệ THỐNG QUANG ROF (RADIO OVER FIBER)

KỸ THUẬT OFDM CHO HỆ THỐNG QUANG ROF (RADIO OVER FIBER)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ

CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER 1

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1

1.1.1 Bộ phát quang 1

1.1.2 Bộ thu quang 6

1.1.3 Kênh truyền sợi cáp quang 6

1.2 CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER (ROF) 7

1.2.1 Sự kết hợp sợi quang và vô tuyến 8

1.2.2 Giới thiệu về kỹ thuật RoF 9

1.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 10

1.2.4 Ưu điểm của công nghệ RoF 11

1.2.5 Những ứng dụng thực tế của RoF 11

1.2.6 Những giới hạn của công nghệ RoF 14

1.2.7 Kết luận 14

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 15

2.1 LỊCH SỬ OFDM 15

2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM 16

2.2.1 Sóng mang trực giao 16

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số 17

2.3 SƠ ĐỒ KHỐI HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM 17

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 18

2.3.5 Bộ chuyển đổi D/A và A/D 21

2.3.6 Điều chế RF với kỹ thuật nâng hạ tần số 21

2.4 ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 21

2.4.1 Ưu điểm của kỹ thuật điều chế OFDM 21

2.4.2 Những hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 22

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG ROF 23

3.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG ROF SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 23

3.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM 24

3.3 MÃ HÓA GRAY 25

3.4 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 27

3.4.1 Nhiễu (Noise) 27

3.4.2 Suy hao 27

3.4.3 Tán sắc 27

3.4.4 Hiệu ứng phi tuyến 28

3.5 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ROF-OFDM 29

3.5.1 Điều chế biên độ trực giao QAM 30

3.5.2 Điều chế biên độ trực giao 8 – QAM 32

3.5.3 Điều chế biên độ trực giao 16 – QAM 34

3.5.4 Điều chế biên độ trực giao 64 – QAM 36

3.5.5 Xác định công suất phát của nguồn quang 38

3.5.6 Thiết kế sợi bù tán sắc 39

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 40

4.1 HỆ THỐNG ROF – OFDM MÔ PHỎNG BẰNG OPTISYSTEM 40

4.1.1 Bộ phát 40

4.1.2 Tuyến truyền dẫn quang 42

4.1.3 Khối thu 43

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ROF – OFDM 45

4.3.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng điều chế biên độ 64 – QAM 60

4.4 TỔNG KẾT CHƯƠNG 66

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67

5.1 KẾT LUẬN 67

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

HÌNH 1-2: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ MZM [2] 4

HÌNH 1-3: BỘ ĐIỀU CHẾ MZM PHÂN CỰC ĐƠN 5

HÌNH 1-4: BỘ ĐIỀU CHẾ MZM PHÂN CỰC ĐÔI [1] 5

HÌNH 1-5: SƠ ĐỒ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU RF TRÊN ROF 10

HÌNH 1-6: KỸ THUẬT ROF TRONG MẠNG RVC 12

HÌNH 1-7: KỸ THUẬT ROF TRONG MẠNG WLAN [1] 13

HÌNH 2-1: SO SÁNH PHỔ KỸ THUẬT OFDM VỚI FDM [2] 16

HÌNH 2-2: PHỔ CỦA TÍN HIỆU OFDM [2] 17

HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM [1] 17

HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM 24

HÌNH 3-2: CHÒM SAO QAM – 16 ĐƯỢC MÃ HÓA GRAY [2] 26

HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ KHỐI PHÁT RF – OFDM 40

HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ KHỐI PHÁT QUANG 42

HÌNH 4-3: SƠ ĐỒ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG 42

HÌNH 4-4: SƠ ĐỒ KHỐI THU QUANG 43

HÌNH 4-5: SƠ ĐỒ KHỐI COHERENT DETECTION 43

HÌNH 4-6: SƠ ĐỒ KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM 44

HÌNH 4-7: TÍN HIỆU BĂNG GỐC 45

HÌNH 4-8: SƠ ĐỒ CHÒM SAO QAM TÍN HIỆU ĐƯỢC MÃ HÓA 46

HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 46

HÌNH 4-10: TÍN HIỆU QUANG SAU BỘ MZM 47

HÌNH 4-11: TÍN HIỆU TRONG TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG 47

HÌNH 4-12: TÍN HIỆU Ở PHÍA THU 48

HÌNH 4-16: TÍN HIỆU OFDM SAU BỘ LỌC LPF 50

HÌNH 4-17: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 50

HÌNH 4-18: TÍN HIỆU OFDM ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ SANG DẠNG QUANG 51

HÌNH 4-19: TÍN HIỆU TRONG MIỀN THỜI GIAN TẠI PD 51

HÌNH 4-20: TÍN HIỆU RF TẠI PHÍA THU 52

HÌNH 4-21: TÍN HIỆU BĂNG THÔNG GỐC Ở PHÍA PHÁT 53

HÌNH 4-22: SƠ ĐỒ CHÒM SAO MÃ HÓA 16QAM 53

HÌNH 4-23: TÍN HIỆU OFDM ĐƯỢC LỌC BỞI BỘ LỌC THÔNG THẤP 54

HÌNH 4-24: TÍN HIỆU OFDM Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 55

HÌNH 4-25: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 55

HÌNH 4-26: TÍN HIỆU QUANG TẠI PD 56

HÌNH 4-27: TÍN HIỆU RF Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 56

HÌNH 4-28: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 16QAM 57

HÌNH 4-29: GIÁ TRỊ BER VÀ BIỂU ĐỒ MẮT TÍN HIỆU 57

HÌNH 4-30: SƠ ĐỒ CHÒM SAO VỚI 256, 512 VÀ 1024 SÓNG MANG 58

HÌNH 4-31: SƠ ĐỒ MÃ HÓA CHÒM SAO 64QAM 60

HÌNH 4-32: TÍN HIỆU OFDM SAU BỘ LỌC THÔNG THẤP 61

HÌNH 4-33: TÍN HIỆU TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 61

HÌNH 4-34: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 62

HÌNH 4-35: TÍN HIỆU QUANG THU TẠI PD 62

HÌNH 4-36: TÍN HIỆU RF MIỀN THỜI GIAN VÀ MIỀN TẦN SỐ 63

BẢNG 3-1: BẢNG MÃ GRAY [2] 26 BẢNG 4-1: CÁC THÔNG SỐ CHUNG CỦA HỆ THỐNG ROF – OFDM 41 BẢNG 4-2: BẢNG SO SÁNH CÁC GIÁ TRỊ HỆ THỐNG VỚI SỐ SÓNG MANG KHÁC NHAU 59 BẢNG 4-3: BẢNG GIÁ TRỊ CÔNG SUẤT KHI THAY ĐỔI SỐ VÒNG 65

BER Bit Error Rate

Inverse Fast Fourier Transform

Inter Symbol Interference

Local Area Network

Media Access Control

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG VÀ CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER

Nội dung chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang Sau đó sẽgiới thiệu sơ lược về công nghệ kỹ thuật trong truyền vô tuyến trên sợi quang RoFđang là một kỹ thuật hiện này được coi là nền tảng cho mạng truy cập không dâyvới băng thông rộng trong tương lai

1.1 Hệ thống thông tin quang

Trong một hệ thống quang cơ bản sẽ bao gồm bộ phát quang, kênh truyền dẫn sợiquang, các bộ khuếch đại và bộ thu quang

Hình 1-1: Sơ đồ hệ thống quang

Các tín hiệu được đưa vào bộ truyền sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tínhiệu quang sau đó truyền qua sợi quang Khi tín hiệu tới bộ thu, tại đây tín hiệu sẽđược chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện Do các suy hao tuyến nên các tínhiệu sẽ được khuếch đại để đảm bảo công suất truyền trong quá trình truyền dẫn tínhiệu

Nguồn quang thường được dùng trong bộ phát quang là loại nguồn quang bán dẫn(LASER, LED) Các chất bán dẫn sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải cónăng lượng chênh lệch và dải cấm trực tiếp giữa vùng hóa trị và vùng dẫn phù hợpvới khả năng tạo ra bước sóng nằm trong các bước sóng hoạt động trong hệ thốngquang.

Những yêu cầu đối với nguồn quang được sử dụng trong hệ thống thông tin quanglà:

được trong sợi quang Lý tưởng nhất là ánh sáng của nguồn quang ở ngõ raphải có tính định hướng cao

cách chính xác để giảm thiểu nhiễu và sự méo dạng trên tín hiệu

đồng thời sợi quang có suy hao và tán sắc thấp phù hợp với vùng bước sóngnày

 Có khả năng điều chế trực tiếp tín hiệu hoặc một cách đơn giản khác trên dảitần số rộng

dụ như LED được chế tạo từ chất bán dẫn INGaAsP sẽ có bước sóng ánh sáng1,3µm sẽ có độ rộng từ 50-60nm, vì thế LED thường được dùng trong các hệ thống

quang sử dụng sợi đa mode, tốc độ truyền không vượt quá 200Mb/s và khoảng cáchtruyền ngắn.

Trong khi đó, LASER được dùng trong các trường hợp có các kênh truyền ánh sáng

có bước sóng 1550nm, tại bước sóng này, độ tán sắc khá lớn, tín hiệu quang phải làsợi đơn mode và độ rộng phổ rất hẹp

Với khoảng cách truyền xa đòi hỏi công suất phải lớn hơn, và khoảng cách giữa các

bộ khuếch đại (amplifier) hoặc các trạm lặp (repeater) trên đường truyền dẫn cũng

do đó mà tăng lên Khi truyền dẫn xa, các hiện tượng phi tuyến sẽ ảnh hưởng tới tínhiệu cũng tăng theo Vì vậy, công suất quang sẽ được chọn lựa phù hợp và phải cótrong quy định chuẩn cho phép mà sự ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến có thểchấp nhận được và các thiết bị lặp ở mức tối thiểu

LASER hiện đang được ưa dùng nhiều hơn LED bởi vì các ưu điểm phù hợp cho hệthống có tốc độ cao và truyền trên khoảng cách dài

Bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder MZM: được cấu tạo bởi vật liệu Lithium niobate

Hình 1-2: Sơ đồ hoạt động của bộ điều chế MZM [2]

Nguyên lý hoạt động bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder là: khi đặt vào một nhánhcủa nó một hiệu điện thế thì chiết suất của lớp Lithium Niobate sẽ thay đổi Khikhông có hiệu điện thế phân cực đặt vào thì nguồn sáng từ bộ điều chế được chiathành hai nhánh khi nó được đưa qua ống dẫn sóng sẽ không bị dịch pha và tại đầu

ra chúng sẽ giao thoa lại với nhau và trở thành dạng sóng tới ban đầu

Khi hiệu điện thế đặt vào một nhánh thì một tia tới sẽ bị dịch pha 90o do chiết suấtcủa ống dẫn bị giảm, dẫn đến giảm độ trễ và tăng vận tốc ánh sáng Trong khi đónhánh còn lại sẽ bị dịch pha -90o chiết suất của ống dẫn tăng lên làm giảm độ trễ vàtăng vận tốc Do đó ở ngõ ra chúng sẽ lệch pha và triệt tiêu lẫn nhau Điều đó chothấy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực sẽ điều khiển được cường độ tín hiệuánh sáng ở ngõ ra và độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh của ống dẫn.Phân cực cho bộ MZM có hai cách là phân cực đơn và phân cực đôi

Đối với bộ phân cực đơn MZM

Ngõ ra bộ MZM khi một nhánh MZM được phân cực là:

Hình 1-3: Bộ điều chế MZM phân cực đơn

Đối với bộ điều chế MZM phân cực đôi

Hình 1-4: Bộ điều chế MZM phân cực đôi [1]

Cường độ ánh sáng ngõ ra khi hai nhánh đều được phân cực bởi các điện thế phâncực V1 và V2 là:

Trong đó VBias là điện áp phân cực một chiều, VData là điện áp dữ liệu vào

Bộ ghép kênh có thành phần chính là một vi thấu kính dùng để hội tụ ánh sáng khi

1.1.2 Bộ thu quang

Chức năng của bộ thu quang là nhận tín hiệu quang, đồng thời chuyển tín hiệuquang thành tín hiệu điện và sau đó xử lý là khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu Bộthu quang còn được gọi là linh kiện tách quang hay là linh kiện tách sóng quang donguyên lý biến đổi trực tiếp nguồn năng lượng photon sang điện

 Các linh kiện bán dẫn biến đổi từ quang sang điện (photodiode)

Các linh kiện biến đổi quang thành điện được gọi là photodetector hay photodiode

có chức năng biến đổi tín hiện quang thành điện ở đầu ra Photodiode PIN vàphotodiode thác lũ APD là loại photodiode được ưa dùng hiện nay trong hệ thốngthông tin quang

Photodiode thác lũ APD thường được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi tốc độcao, độ chính xác và độ nhạy cao Do cơ chế “thác lũ” nên photodiode APD có độnhạy cao hơn so với photodiode PIN nằm ở khoảng 5dB đến 15dB, cũng do đó hiệusuất lượng tử cao hơn PIN vài trăm lần (20-80A/W so với 0,5-0,7 A/W) Nhưng vìphotodiode PIN phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực và nhiệt độ nên có độ ổnđịnh kém và độ nhiễu cao hơn photodiode PIN

1.1.3 Kênh truyền sợi cáp quang

Đây là thành phần quan trọng nhất trong một hệ thống quang, với vai trò truyền dẫntín hiệu quang từ phía phát về đầu thu

Cấu tạo của sợi cáp quang gồm hai lớp: lớp lõi (core) với chiết suất n1 và lớp vỏ bọcvới chiết suất n2 Với nguyên lý hiện tượng phản xạ toàn phần giữa hai lớp (n1>n2),ánh sáng được truyền trong sợi quang nhờ vào hiện tượng này Sợi quang được chiathành sợi đơn mode và sợi đa mode bằng việc dựa theo số mode sóng truyền trênsợi quang

Khi tín hiệu được lan truyền trong sợi cáp quang thì chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi cácyếu tố hạn chế tốc độ truyền và khoảng cách truyền tín hiệu cũng như chất lượngtruyền tin của sợi quang như tán sắc, suy hao và các hiện tượng phi tuyến thườngxảy ra trên sợi quang

Tại bước sóng 1310nm, sợi quang G.652 có hệ số tán sắc rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 docác đặc tính của cáp và sợi đơn mode nên G.652 có thể hoạt động tối ưu tại bướcsóng này Sợi quang này cũng có thể hoạt động tại bước sóng 1550nm nhưng khôngtối ưu hơn vùng bước sóng 1310nm.

Bảng 1-1: Các thông số sợi cáp quang theo chuẩn ITU [1]

Các thông số sợi quang

1.2 Công nghệ Radio over Fiber (RoF)

Hiện nay, nhu cầu về dịch vụ tốc độ trao đổi thông tin và băng thông rộng trong hệthống truyền dẫn vô tuyến ngày càng tăng, việc đó đòi hỏi phải có hệ thống vôtuyến sở hữu công nghệ tiên tiến để đáp ứng được nhu cầu đó Nhằm đáp ứng nhucầu tăng dung lượng truyền dẫn và giảm chi phí hệ thống truyền dẫn vô tuyến vớiphương pháp truyền tín hiệu vô tuyến tốc độ cao, tần số sóng mang lên tới GHztrong sợi quang công nghệ truyền vô tuyến qua sợi quang (RoF) được ra đời

1.2.1 Sự kết hợp sợi quang và vô tuyến

Để đáp ứng nhu cầu về băng thông rộng, các công nghệ truy cập vô tuyến hiện nayđang hướng về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho thiết bị trong hệthống Các kỹ thuật truy cập tiên tiến như CDMA, OFDM được sử dụng để tăngbăng thông Trong khi đó xu hướng giảm kích thước cell để tăng số user lên, vì đó

số lượng trạm thu phát cũng tăng lên theo và được chuyển sang hoạt động ở băngtần microwave/milimeterwave để hạn chế chồng lấn phổ và mở rộng băng thôngrộng hơn

Những ưu điểm của băng tần mm là: kích thước ăng-ten nhỏ băng thông lớn nhưng

ở tần số mm, suy hao không gian rất lớn Suy hao trong không gian được tính bằngcông thức:

L dB=32,44 +20 logf[MHz]+20 logd[km] (1.3)Trong đó d là khoảng cách (km) và f là tần số (MHz) Theo công thức tần số tỉ lệthuận với suy hao và tỉ lệ nghịch với bán kính phủ sóng của trạm thu phát Trongbăng tần mm (26GHz – 100GHz) suy hao là rất lớn

Vì thế, bán kính của mỗi trạm cơ sở BS (Base Station) giảm xuống đồng thời sốlượng BS sẽ tăng lên nhiều lần để đáp ứng nhu cầu của vùng phát sóng Số lượng

BS tăng sẽ dẫn đến bài toán kinh tế cho mỗi BS và để giải quyết bài toán này, người

ta sẽ cấu trúc BS đơn giản bằng phương pháp kiến trúc mạng tập trung Trong kiếntrúc mạng tập trung, các chức năng chuyển giao, xử lý và định tuyến… sẽ được thựchiện ở trạm trung tâm CS (Central Station), nhiệm vụ còn lại là phát tín hiệu nhậnđược từ CS và chuyển những tín hiệu nhận được ở MH (Mobile Host) về CS

Và để kết nối các BS và CS, với những ưu điểm của sợi quang là băng thông lớn vàsuy hao nhỏ, một sợi quang có thể truyền xa đến hàng chục km với tốc độ truyền lênđến hàng trăm Gbps Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật OFDM hoạt động trongmạng RoF

1.2.2 Giới thiệu về kỹ thuật RoF

Một hệ thống quang RoF sẽ bao gồm thiết bị đầu cuối (MH), các trạm cơ sở (BS) vàcuối cùng là trung tâm điều khiển (CS)

 Trạm cơ sở viết tắt là BS (Base Station)

sóng vô tuyến từ MH truyền về CS

điện/quang hoặc ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS

tần số RF trong BS phải được đơn giản hóa trong kiến trúc mạng RoF

 Tùy vào bán kính phủ sóng của BS mà số lượng BS được lắp đặt phù hợp,bán kính phục vụ của BS thường rất nhỏ chỉ từ vài chục mét đến vài trămmét và chỉ phục vụ được vài trăm MH.

 Thiết bị di động đầu cuối viết tắt là MH (Mobile Host)

 Các thiết bị đầu cuối trong mạng là những thiết bị di động như điện thoại diđộng, máy tính hoặc những máy khác có khả năng truy cập vào mạng vôtuyến

 Trạm trung tâm viết tắt là CS (Central Station)

cách xa hàng chục km, một CS có khả năng kết nối với nhiều BS khác nhau

hệ thống RoF, CS được kết nối đến mạng lõi như tổng đài PSTN, Internet…

 Nếu khoảng cách giữa BS và CS dài thì sẽ có thêm các thiết bị xử lý tín hiệu

là bộ khuếch đại cũng như bộ lọc nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở đầu ra

có độ tán sắc và suy hao thấp có thể đáp ứng được khoảng cách truyền dẫn

và chất lượng tăng

 Có hai phương thức truyền tín hiệu trên tuyến quang là đơn hướng (simplex)

và hai hướng (duxplex)

Tín hiệu vô tuyến được truyền trên tuyến quang là tín hiệu băng gốc (baseband), tínhiệu được điều chế ở trung tần IF hay là tín hiệu cao tần RF Các tín hiệu này phảiđáp ứng được các yêu cầu thông số kỹ thuật trong các ứng dụng không dây như hệthống GSM, WLAN, WiMax…

1.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn RoF

Tùy vào mục đích sử dụng, các tín hiệu RF (tần số vô tuyến) có thể được điều chếlên băng tần IF (trung tần) hay RF (cao tần) hoặc sử dụng băng thông gốc

Do việc xử lý các tín hiệu tại trung tâm đơn giản hơn các thiết bị hoạt động ở tần sốcao nên tín hiệu băng thông gốc sẽ được biến đổi trung tần IF thay vì băng tần RFvới chi phí rẻ và độ ổn định cao hơn.

Phương pháp trộn tần số là phương pháp được sử dụng để điều chế IF lên RF

Hình 1-5: Sơ đồ truyền dẫn tín hiệu RF trên RoF

Dựa vào mục đích người sử dụng mà ta sử dụng tín hiệu băng gốc hay điều chế lênbăng tần IF hoặc RF ở dữ liệu vô tuyến đầu vào Tiếp theo tín hiệu RF sẽ được điềuchế thành dạng quang thông qua các phương pháp điều chế trực tiếp hoặc điều chếngoài Sau đó tín hiệu quang sẽ được truyền trên sợi quang tới thiết bị thu

Tại đây, tín hiệu sẽ được trả về dạng RF bằng bộ chuyển đổi quang/điện Phía thu

có thể sẽ có bộ lọc hay những thiết bị khuếch đại nhằm tăng công suất và lọc nhiễutín hiệu do các hiện tượng phi tuyến trên đường truyền

1.2.4 Ưu điểm của công nghệ RoF

Trong truyền thông vô tuyến trên sợi cáp quang thì công nghệ RoF có những ưuđiểm sau:

 Tín hiệu bị suy hao thấp

 Sự linh hoạt trong vận hành

Để đáp ứng cho mỗi MH mỗi khi cần, hệ thống RVC này phải đạt tốc độ ít nhất là2-10Mbs như các mạng hỗ trợ thoại hay dịch vụ đa phương tiện khi các MH đang dichuyển Mạng RVC hiện đang sử dụng băng tần micromet nhưng vẫn không đápứng đủ nhu cầu về băng thông, vì vậy những băng tần mm trong khoảng từ 36GHzđến 60GHz đang được cân nhắc để cải tiến ứng dụng cho mạng này Tuy nhiên,băng tần này lại có bán kính phủ sóng của các cell nhỏ hơn băng tần micromet dosuy hao trong không gian.

Hình 1-6: Kỹ thuật RoF trong mạng RVC

Mạng RoF-RVC gồm những BS được quản lý bởi các CS khác nhau, những BS và

CS được kết nối với nhau bằng các sợi quang

Bán kính cell nhỏ và tính di động của những MH cao là đặc điểm của mạng RVC

do cơ chế chuyển giao nhanh và đơn giản đó cũng là vấn đề cần giải quyết trongmạng này Các phương tiện giao thông trên đường có thể liên lạc với nhau hoặc liênlạc thông qua trung tâm điều khiển đó cũng là cơ sở của hệ thống ITS điều khiểnphương tiện tự động bằng cách các BS sẽ được lắp đặt tại những cột đèn ở giữa hayhai bên đường

Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết về mặt kỹ thuật, kinh tế,…nhưng với những ưu điểm của nó đem lại được thì mạng RVC sẽ được ứng dụngngày càng nhiều trong tương lai

Trong mạng WLAN, bán kính phủ sóng của các BS nhỏ do đó cần phải có sựchuyển giao giữa các MH khi di chuyển Sự chuyển giao này được thực hiện liêntục trong quá trình MH di chuyển do đó WLAN cần có một giao thức chuyển giaođơn giản và đáng tin cậy ở băng tần mm Để đáp ứng những yêu cầu này giao thứcMAC (Media Access Control) hay còn được gọi là giao thức chuyển giao bàn cờ(Chess Board Protocol) được áp dụng trong băng tần 60GHz tích hợp QoS

Hình 1-7: Kỹ thuật RoF trong mạng WLAN [1]

Central Office (CO): trạm trung tâm, Fiber – Based Netword là mạng cơ sở

Trong mạng WLAN, các bộ điều chế ngoài thường được sử dụng thay vì các thiết bị

LD (Laser Diode) bởi vì chúng hoạt động ở tần số 60GHz, tần số này các LD khôngthể đáp ứng được Do giá thành của các bộ này cao nên bộ thu phát chỉ được lắp đặtcác bộ dao động với tần số cố định Nếu thay đổi bộ dao động này sẽ ảnh hưởng tớiquá trình tạo tần số tín hiệu của mạng RoF

1.2.6 Những giới hạn của công nghệ RoF

RoF là một hệ thống truyền dẫn tín hiệu tương tự, vì vậy tín hiệu sẽ bị ảnh hưởngbởi nhiễu và méo dạng

Nhiễu trong đường truyền bao gồm những tạp âm cường độ tương đối và nhiễu phacủa Laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang và nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại

Trong hệ thống RoF, có sự méo dạng phi tuyến trong quá trình điều chế và tán sắcsợi quang Trong hệ thống RoF dùng sợi đơn mode nguyên nhân của tăng nhiễupha sóng mang RF là tán sắc màu còn trong sợi đa mode là tán sắc mode

Biện pháp để khác phục các hiện tượng méo dạng này là các kỹ thuật bù tại bộ phát

và tại bộ thu thông qua kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng

1.2.7 Kết luận

RoF là công nghệ có sự kết hợp truy cập quang và truy cập vô tuyến Công nghệnày sử dụng những tuyến quang để phân phối hoặc truyền dẫn tín hiệu vô tuyếngiữa các BS và CS Nó là công nghệ tiên tiến đáp ứng được các yêu cầu về tốc độtruy cập cũng như các dịch vụ băng thông rộng trong thị trường thông tin vô tuyếnhiện nay RoF giúp đơn giản hóa các trạm cơ sở BS, bên cạnh đó cho phép sử dụngtài nguyên và băng thông hiệu quả Ngoài ra, sợi quang chiết suất biến đổi (GIPOF)đang được ứng dụng vào hệ thống với tính tối ưu so với cáp đồng và chi phí lắp đặt

và bảo trì thấp hơn sợi silic thông thường

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO

TẦN SỐ TRỰC GIAO

Kỹ thuật OFDM là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang,luồng dữ liệu vào tốc độ cao sẽ chia thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phátđồng thời trên một vài sóng mang, những sóng mang này trực giao với nhau Cũngnhờ vào tính trực giao này, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồnglấn lên nhau do đó hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn so với các kỹ thuật điều chế hay sửdụng khác Ngoài hiệu suất sử dụng phổ, kỹ thuật điều chế OFDM có thể khắc phụcđược nhiễu giao thoa, pha-đinh và nhiễu xuyên kênh, vấn đề băng thông Do đó, kỹthuật OFDM đang được xem xét và áp dụng cho các hệ thống truyền thông hiệnnay

Trong chương này, đề tài sẽ trình bày các nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật điềuchế OFDM, các thành phần chính trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuậtOFDM và phân tích các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

2.1 Lịch sử OFDM

Kỹ thuật OFDM do ông R.M Chang phát minh vào năm 1966 tại Mỹ, sau đó kỹthuật này không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi hoạt động ứng dụngbởi các ưu điểm trong tiết kiệm băng tần và chống pha-đinh chọn lọc theo tần sốhay xuyên nhiễu băng hẹp

Kỹ thuật điều chế OFDM được áp dụng lần đầu tiên trong lĩnh vực quân sự

Trong những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu để áp dụng trong cácthiết bị truyền thông di động cũng như thiết bị điều chế giải điều chế tốc độ cao.Trong những năm 1990, kỹ thuật OFDM được áp dụng trong truyền dẫn thông tinbăng thông rộng tiếp theo nó được áp dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB vàtruyền hình số DVB Trong những năm gần đây, OFDM được áp dụng trong cácchuẩn truyền mạng vô tuyến IEEE 802 và được nghiên cứu ứng dụng trong cácchuẩn di động 4G và 5G

2.2Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM

2.2.1 Sóng mang trực giao

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật truyền dẫn đồng thời nhiều băng con có thể chồng lấnlên nhau trên cùng một độ rộng băng tần được cấp phát của hệ thống Luồng dữ liệutốc độ được chia thành nhiều luồng có tốc độ thấp hơn Vì vậy, hạn chế được ảnhhưởng của trễ đa đường và nó giúp chuyển đổi kênh pha-đinh chọn lọc thành kênhpha-đinh phẳng

Xét hai sóng mang con: fn(t), fm(t) với m, n = 0, 1,…, N-1 (t1 ≤ t ≤ t2) sẽ trực giaovới nhau khi:

f n(t)=exp ⁡( j2 π f n t) (2.2)Trong đó: j=√−1, fn=f0+n ∆ f =f0+n

T , f0là tần số offset ban đầu

Hình 2-1: So sánh phổ kỹ thuật OFDM với FDM [2]

Hình 2-1 so sánh hiệu quả phổ của kỹ thuật đa sóng mang thông thường (FDM) với

kỹ thuật OFDM thì độ hiệu quả của kỹ thuật OFDM là tiết kiệm băng thông hơn

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số

Bằng cách tổng hợp các sóng dạng sin tương ứng với mỗi sóng con, tần số băngthông gốc của sóng mang sẽ là bội số nghịch đảo khoảng thời gian của một symbol

Do đó, tất cả các sóng mang con có một nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

Hình 2-2: Phổ của tín hiệu OFDM [2]

2.3 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống OFDM

Hình 2-3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống OFDM [1]

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song sẽ chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, với các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp,băng thông sóng mang con tương ứng hẹp đủ để truyền với băng thông được xem làphẳng

Ở phía thu, bộ chuyển đổi song song – nối tiếp sẽ giúp ghép các luồng dữ liệu tốc

độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất

2.3.2 Bộ điều chế số trong OFDM

Dòng dữ liệu băng thông gốc dạng các chuỗi bit sau khi qua bộ biến đổi nối tiếpsong song sẽ được chia thành các dòng dữ liệu song song và có tốc độ , dung lượngnhỏ hơn, các dòng dữ liệu này sẽ tiếp tục đi qua bộ điều chế số

Tại đây, mỗi dòng bit con sẽ được ghép k bit thành một symbol bằng cách mã hóa

từ tín hiệu số dạng nhị phân thành tín hiệu số M=2k mức, hay là mỗi vị trí trên sơ đồchòm sao, để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ

Ở phía thu, bộ giải điều chế số chuyển các vị trí giản đồ chòm sao thành các symbol

k bit tương ứng

Có rất nhiều phương pháp điều chế số khác nhau được sử dụng cho hệ thống OFDMtùy theo yêu cầu và hiệu suất của việc sử dụng băng thông kênh

Một số các phương pháp điều chế số thường dùng trong bộ Mapping:

2.3.3 Bộ biến đổi IFFT và FFT

Sau bộ điều chế số, các N symbol k bit cần gửi lên N sóng mang trực giao, đây làquá trình nhân tín hiệu băng thông gốc với các sóng mang sau đó tổng chúng lại để

có tín hiệu OFDM trên miền thời gian

Để tạo ra được một tập các sóng mang trực giao nhau cần phải có một bộ tổng hợptần số, bộ này phải tạo ra được một tần số sóng mang cách đều nhau một cách chính

xác và đồng pha dể tạo ra được tính trực giao và để thực hiện điều này bộ biến đổiIDFT – DFT được dùng để thay thế toàn bộ quá trình tạo sóng mang tin

Ngõ ra của bộ IFFT là các mẫu rời rạc trên miền thời gian của tín hiệu OFDM

Trong kỹ thuật OFDM, các sóng mang có dải tần hẹp và khoảng kí tự dài nên thờigian trễ đa đường thấp do đó ISI nhỏ Để giảm thiểu ISI hoàn toàn người ta sẽ thêmvào kí hiệu OFDM một khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ này có thể là:

Việc chèn mẫu cuối kí tự lên đầu sẽ tạo tính tuần hoàn cho kí tự, điều này vừa khắcphục ICI vừa giúp giải quyết vấn đề khôi phục tín hiệu tốt hơn tại phía thu

2.3.5 Bộ chuyển đổi D/A và A/D

Chuỗi symbol OFDM khi được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ

số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp để tạo ra tín hiệu liên tục đưa vào kênhtruyền dẫn

Ở phía thua, bộ A/D sẽ làm các công việc ngược lại bộ D/A là sẽ lấy mẫu tín hiệuthu được sau đó cho ra tín hiệu rời rạc và thông qua bộ Guard Interval Removal đểloại bỏ khoảng bảo vệ

2.3.6 Điều chế RF với kỹ thuật nâng hạ tần số

Trong kênh truyền vô tuyến, sau khi đi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tínhiệu sẽ được đưa lên tần số cao nhờ bộ Up – converter để tạo thành tín hiệu cao tần

để ăng-ten phát có thể bức xạ ra ngoài không gian Tại phía thu, tín hiệu RF phát sẽđược chuyển lại thành tín hiệu tần số băng gốc nhờ bộ Down – converter

2.4 Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật điều chế OFDM

2.4.1 Ưu điểm của kỹ thuật điều chế OFDM

Kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống thông tinvới những ưu điểm như:

mang con

hệ thống OFDM sẽ chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn các hệ thống sóngmang đơn thông thường khác

bằng việc chèn thêm vào một khoảng bảo vệ trước symbol trong hệ thốngOFDM

dụng trong hệ thống đơn sóng mang

trong chức năng điều chế và giải điều chế

 Có khả năng chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp.

2.4.2 Những hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

Ngoài những thuận lợi trong hệ thống OFDM còn tồn tại những hạn chế cần giảiquyết như:

thống thông tin trong thực tế đều bị giới hạn công suất

lớn của hệ thống OFDM nếu sử dụng bộ khuếch đại công suất hoạt động trongmiền bão hòa Việc này dẫn đến nhiễu xuyên điều chế và làm tăng độ phức tạpcủa các bộ biến đổi từ analog sang digital và ngược lại Việc rút ngắn tín hiệucũng sẽ ảnh hưởng tới tín hiệu với sự xuất hiện méo nhiễu (distortion) trongbăng lẫn bức xạ ngoài băng

sóng mang khác Nó sẽ gây ra nhiễu sóng mang gây nhiễu cho các sóng mangcon trực giao và gây nhiễu liên kênh làm giảm các hoạt động của những bộ điềuchế một cách trầm trọng

CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG ROF

Chương này sẽ giới thiệu về mô hình hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật điều chếOFDM trên kênh truyền dẫn quang, đây được coi là mô hình đầy tiềm năng chocông nghệ vô tuyến băng thông rộng, tốc độ cao Mô hình RoF – OFDM là cấu trúccủa tuyến RoF từ CS tới các BS sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM Mục đích của hệthống là truyền dẫn tín hiệu vô tuyến với tốc độ cao và băng thông rộng ngoài ratăng khoảng cách truyền dẫn giữa CS và các BS để làm tăng phạm vi hoạt động của

Do đó việc kết hợp kỹ thuật OFDM vào hệ thống RoF sẽ đem lại nhiều chú ý trongcác nghiên cứu các hạ tầng truyền tải của mạng truyền dẫn không dây thế hệ mới.Với sự kết hợp này, hệ thống RoF có thể được sử dụng trong khoảng cách ngắnhoặc các tuyến dài có tốc độ cao, giúp cải thiện tính linh hoạt của hệ thống và cungcấp phạm vi bao phủ rộng cho mạng mà vẫn ổn định về giá thành và độ đơn giảncủa hệ thống

2.6 Cấu trúc của hệ thống RoF-OFDM

Việc áp dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống RoF cũng giống như các hệ thống vôtuyến khác Quá trình điều chế OFDM sẽ được thực hiện trong miền tần số tiếp theođược điều chế lên sóng mang quang bằng hai cách cơ bản: có hoặc không sự hỗ trợcủa sóng mang RF, tuy nhiên quá trình điều chế có sự hỗ trợ của sóng mang RFđược áp dụng thường xuyên hơn.

Hình 3-1: Sơ đồ của hệ thống RoF-OFDM

Dữ liệu ban đầu là chuỗi bit nhị phân được đưa vào nối tiếp song song để tách luồng

dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, các luồng tín hiệusong song được phân bố trên các sóng mang con, tiếp tục được đưa qua bộ điều chế

số để trở thành các ký hiệu điều chế số được biểu diễn với dạng phức Sau đó cácsóng mang con được đưa đến bộ IFFT, tại đây diễn ra hai quá trình: chèn các sóngmang con rỗng và biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Ở bộ IFFTnày, các sóng mang con trực giao cũng được tạo ra Khi tín hiệu đầu ra của bộ biếnđổi nối tiếp song song trong miền thời gian đã được chèn khoảng bảo vệ CP

Thành phần thực vào ảo ở ngõ ra bộ điều chế OFDM sẽ được đưa vào bộ điều chếsóng mang vô tuyến RF, cuối cùng tín hiệu RF sẽ được đưa vào một đầu của bộđiều chế quang có thể sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài hoặc trực tiếp Ngõ ra của bộđiều chế quang là tín hiệu OFDM đã được điều chế sang miền quang và được truyềnvào sợi quang.

Ở phía thu, qua trình này được diễn ra ngược lại Đầu tiên tín hiệu quang sẽ đượcgiải điều chế quang, đây thực chế là các bộ thu quang tách sóng trực tiếp hoặcCoherrent Trong trường hợp áp dụng kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệuOFDM tại đầu phát có thể ở dạng băng gốc mà không cần điều chế lên miền RF docác tín hiệu RF có thể được chuyển đổi trực tiếp thông qua kỹ thuật này Tín hiệuđiện thu được sau bộ giải điều chế quang tiếp tục được khuếch đại và đưa qua bộgiải điều chế vô tuyến để đưa tín hiệu về băng tần cơ sở Tín hiệu băng tần cơ sởtiếp tục được giải điều chế OFDM, ở đây quá trình diễn ra hoàn toàn ngược lại sovới phía phát Sau cùng tín hiệu sẽ được đưa vào bộ giải điều chế số để thu lại dnagjbit ban đầu

Mã Gray có thể được áp dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8 – PSK,

16 – PSK) và QAM (16 – QAM, 64 – QAM, 256 – QAM,…)

Hình 3-2: Chòm sao QAM – 16 được mã hóa Gray [2]

2.8 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống

Khi khuếch đại lên tần số RF là 7,5GHz, tín hiệu OFDM điều chế sang tín hiệuquang và truyền dẫn đi trên tuyến quang do đó sẽ bị những ảnh hưởng do những yếu

tố trong hệ thống truyền thông tin quang như nhiễu, tán sắc, suy hao và những hiệuứng phi tuyến trên kênh truyền dẫn

2.8.1 Nhiễu (Noise)

Trong một hệ thống thông tin quang có các nguồn nhiễu như:

 Nhiễu nhiệt: do điện trở tải của diode ở phía thu quang và trở kháng đầu vào của

bộ tiền khuếch đại

diode phía thu quang

 Nhiễu dòng tối: Do sự phân phối đến nhiễu toàn bộ hệ thống và cho sự dao độngngẫu nhiên bởi vì khi chưa có công suất quang đưa tới photodetector sẽ có mộtlượng dòng điện nhỏ trong mạch

2.8.3 Tán sắc

Đây là hiện tượng tín hiệu ánh sáng chứa nhiều thành phần tần số hay bước sóng lantruyền với vận tốc khác nhau, điều này làm xung bị trải rộng ra do đó đáp ứng xungcủa các bit gần nhau giao thoa với nhau dẫn đến sự chồng xung

Các loại tán sắc như:

 Tán sắc mode: do ảnh hưởng bởi nhiều bước sóng và chỉ xảy ra ở sợi đa mode

 Tán sắc thể: Chiết suất thủy tinh thay đổi tùy theo bước sóng nên vận tốc ánhsáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau bao gồm tán sắc vật liệu và tánsắc ống dẫn sóng.

2.8.4 Hiệu ứng phi tuyến

Bao gồm tán xạ kích thích SRS, tán xạ do kích thích Brillouin SBS và hiệu ứng tựđiều pha SPM

Tán xạ kích thích SRS gây ra do quá trình tán xạ mà trong đó photon ánh sáng tớichuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của những phần tử cấuthành môi trường truyền dẫn, phần năng lượng còn lại sẽ được phát xạ thành anhsáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu được truyền tới

Tán xạ SBS cũng giống như tán xạ SRS, nghĩa là có một phần ánh sáng bị tán xạ vàdịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn được gọi

là ánh sáng Stocke

 Nguồn tín hiệu chuỗi nhị phân với hai mức 1 và 0.

 Bộ khuếch đại và bộ lọc thông thấp LBF và bộ lọc thông giải BPF

 Những thông số thiết lập ban đầu

dài chuỗi bit lớn để có thể xét được số lượng sóng mang lớn nên độ dài chuỗi LB=

Trong điều chế biên độ trực giao QAM sử dụng những symbol được ghép bởi 2 bittương ứng với một trong M= 22 trạng thái hay vị trí trên giản đồ chòm sao Thờigian truyền 1 symbol trên một sóng mang được tính:

Tsb= 2.TbsubTrong đó Tbsub là thời gian truyền bit của một sóng mang

Với N= 128 sóng mang nên ta có:

Tbsub= N× Tb= N× 0.1ns= 12,8nsNên:

Tsb= 2.Tbsub = 2.12,8= 25,6nsKhoảng thời gian mà một symbol được xử lý khi đi qua bộ IFFT là:

TFFT= Tsb= 25,6nsViệc chèn khoảng bảo vệ CP để tránh nhiễu ISI và ICI phải phù hợp với độ trải trễcực đại của kênh truyền

Trên một kênh truyền dẫn quang, trải trễ được tính phụ thuộc vào độ tán sắc của sợiquang với công thức:

τ = c

f2|D t| N sc ∆ f ≤ T G (3.1)Trong đó: τ là độ trải trễ, c là tốc độ ánh sáng, f là tần số sóng mang quang, D t là

độ tán sắc sợi quang, ∆ f là khoảng cách giữa các sóng mang và Nsub là số sóngmang con

Khi khoảng bảo vệ CP có thời gian TG là lớn hơn hoặc bằng độ trải trễ τ sẽ đảm bảokhông gây hiện tượng xuyên nhiễu ISI và nhiễu ICI

Với sợi quang đơn mode chuẩn G.652 có thể làm việc được ở hai cửa sổ truyền dẫn1310nm và 1550nm, trong hệ thống ta thiết kế sử dụng bước sóng làm việc ở cửa sổ1552,52nm nghĩa là tại tần số 193,1THz, tại đây G.652 có suy hao truyền dẫn là0,2dB/km, độ tán sắc là 16,75ps/(nm.km)

∆ f = 1

T sb=

1

25,6 × 10−9=39,06 MHz