Bài viết trình bày mô hình tiêu biểu của 2 hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang tương tự ARoF (Analog Radio-over-Fiber) và số DRoF (Digital Radio-over-Fiber) với khoảng cách truyền dẫn d ≤120 km; trình bày tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỉ lệ lỗi bít (BER) trong 2 hệ thống.
ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 225(06): 411 - 418 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG (BER, SNR) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG-VÔ TUYẾN TƯƠNG TỰ (ARoF) VÀ SỐ (DRoF) Nguyễn Văn Tuấn Trường Đại học Bách khoa - ĐH Đà Nẵng TĨM TẮT Bài báo trình bày mơ hình tiêu biểu hệ thống truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang tương tự ARoF (Analog Radio-over-Fiber) số DRoF (Digital Radio-over-Fiber) với khoảng cách truyền dẫn d ≤120 km; trình bày tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu (SNR) tỉ lệ lỗi bít (BER) hệ thống Trên sở đó, báo sử dụng Matlab để vẽ đồ thị so sánh hiệu hệ thống theo kiểu tách sóng trực tiếp kết hợp sử dụng phương pháp giải điều chế khác ASK, FSK, PSK bao gồm kỹ thuật đổi tần đồng bộ, đổi tần không đồng đồng tần Việc so sánh tiến hành theo nhiều trường hợp khác thay đổi công suất nguồn phát quang (PTX), d công suất quang dao động nội (PLO) Bài báo xác định cách định lượng mức độ cải thiện BER hệ thống DRoF so với ARoF chúng có giá trị thông số hệ thống Tiêu biểu, với d = 90 km PTX = dBm, ARoF tách sóng trực tiếp có BER10-10 DRoF có BER cải thiện đáng kể (BER10-23) Còn cấu hình PSK đổi tần đồng bộ, tách sóng kết hợp với d = 100 km, PLO = dBm hệ thống ARoF DRoF có giá trị BER10-18 BER10-23 Từ khóa: ARoF; DRoF; BER; SNR; ASK; FSK; PSK Ngày nhận bài: 12/5/2020; Ngày hoàn thiện: 26/5/2020; Ngày đăng: 29/5/2020 INVESTIGATING PERFORMANCE (BER, SNR) OF ANALOG RADIO-OVERFIBER (ARoF) AND DIGITAL RADIO-OVER-FIBER (DRoF) SYSTEMS Nguyen Van Tuan DNU - University of Science and Technology ABSTRACT In this paper, we present two typical models of Analog Radio-over-Fiber (ARoF) and Digital Radio-over-Fiber (DRoF) systems that transmission distance is shorter than 120 km Signal-tonoise ratio (SNR) and bit error rate (BER) in two systems are shown Matlab-based programme then is written and run to draw graphs and compare the performance (BER, SNR) of two systems corresponding to direct detection and coherent detection for various demodulation methods such as ASK, FSK, PSK including synchronous, asynchronous heterodyne and homodyne techniques The performance comparison of the two systems is conducted in many different cases such as changing optical power of transmitter (PTX), transmission distance (d), optical power of local oscillator (PLO) We quantitatively determine the BER improvement of DRoF system compared to ARoF when they have the same value of system parameters Typically, with d = 90 km and PTX = dBm, Direction-Detection ARoF system has BER value of 10-10, DRoF system has a greatly improved BER value (BER 10-23) As for Coherent-Detection synchronous heterodyne PSK configuration with d = 100 km, PLO = dBm, ARoF and DRoF systems achieve BER value of 10-18 and of 1023 respectively Keywords: ARoF; DRoF; BER; SNR; ASK; FSK; PSK Received: 12/5/2020; Revised: 26/5/2020; Published: 29/5/2020 Email: nvtuan@dut.udn.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 411 Nguyễn Văn Tuấn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Những năm gần tương lai không xa, nhu cầu thông tin di động hệ đa dịch vụ băng thông rộng tăng lên nhanh chóng Theo dự báo sách trắng tập đồn Cisco [1], lưu lượng liệu di động toàn cầu tăng gấp lần từ năm 2017 đến năm 2022, với tốc độ tăng trưởng 46% đạt 77,5 exabyte tháng vào năm 2022 (một exabyte tỉ gigabyte) Trong đó, lưu lượng truy cập từ thiết bị không dây thiết bị di động chiếm 71% tổng lưu lượng IP vào năm 2022 Còn theo dự báo tập đoàn Erisson [2], đến năm 2025, lưu lượng liệu di động toàn cầu tăng nhanh chóng đạt 160 exabyte tháng, lưu lượng 5G chiếm khoảng 45% tổng lưu lượng di động tồn cầu Tuy nhiên, hệ thống thơng tin di động 3G, 4G sử dụng sóng mang vô tuyến nằm dải băng tần thấp (khoảng vài GHz) nên chúng mang thông tin liệu tốc độ thấp, băng thơng hẹp Trong bối cảnh đó, hệ thống sợi quang truyền dẫn trực tiếp tín hiệu sóng vơ tuyến tần số cỡ hàng chục GHz, viết tắt RoF (Radio over Fiber) trở thành giải pháp hứa hẹn đầy tiềm năng, cho phép tăng dung lượng lên hàng chục lần so với nay, đáp ứng với nhu cầu gia tăng nhanh chóng loại hình đa dịch vụ băng thơng rộng 5G sau 5G tương lai Với ưu điểm vượt trội băng thông rộng công nghệ quang tử sợi quang việc xử lý truyền tín hiệu, hệ thống RoF cho phép tăng đáng kể dung lượng, giảm trễ tín hiệu, giảm lượng tiêu thụ, chi phí độ phức tạp mạng thơng tin di động Ngồi ra, hệ thống cịn khai thác ưu điểm công nghệ vô tuyến vùng phủ sóng rộng, khả đa truy cập, tính linh động cao Do cơng nghệ RoF xu ứng dụng tất yếu cho hệ thống thông tin di động hệ (5G sau 5G) [3]-[8] Hệ thống RoF phân thành loại RoF tương tự (ARoF) RoF số (DRoF) Trong hệ thống ARoF, tín hiệu vơ tuyến dạng tương tự điều chế nguồn quang cịn hệ thống DRoF, tín hiệu vô tuyến 412 225(06): 411 - 418 chuyển đổi thành tín hiệu số trước điều chế nguồn quang Việc số hóa tín hiệu vơ tuyến hệ thống DRoF đem đến hiệu tốt hơn, nhiên làm cho hệ thống phức tạp giá thành hệ thống tăng lên Do đó, để có sở lựa chọn cơng nghệ tương tự hay số cho hệ thống RoF, nhiều cơng trình khoa học tiến hành nghiên cứu đặc tính so sánh đánh giá hai hệ thống ARoF DRoF, tiêu biểu [8]-[12] Trong [8], tác giả so sánh đặc tính hệ thống ARoF với phương pháp điều chế vơ tuyến BPSK, QPSK 16QAM, sau tiến hành so sánh hệ thống ARoF DRoF Kết so sánh cho thấy đặc tuyến BER hệ thống DRoF cải thiện nhiều so với hệ thống ARoF với thông số hệ thống Tuy nhiên, báo theo hướng khảo sát sợi quang đa mode (MMF) chưa sâu vào việc khảo sát hiệu DRoF so với ARoF thay đổi công suất nguồn phát (PTX), khoảng cách truyền dẫn (d) Trong [9], tác giả có đề cập đến việc so sánh DRoF ARoF thay đổi PTX d thực phần mềm mô Optisystem chưa so sánh dựa biểu thức toán học BER SNR hệ thống Ngoài ra, báo khảo sát hệ thống có máy thu tách sóng trực tiếp (DD: Direct Detection) chưa đề cập đến máy thu tách sóng kết hợp (CD: Coherent Detection) có sử dụng Laser dao động nội máy thu với công suất PLO để tăng độ nhạy cho hệ thống Trong [10], tác giả tiến hành thực nghiệm so sánh hệ thống ARoF SDRoF điều chế 16QAM với tốc độ từ 25 Mbaud đến 125Mbaud, tần số trung tâm GHz Qua chứng tỏ tính hiệu kỹ thuật điều chế SdoF so với ARoF Tuy nhiên, báo theo hướng nghiên cứu thực nghiệm sợi quang đa mode OM4 với d=200 m, sử dụng bước sóng ánh sáng 850 nm (có tổn hao cơng suất lớn) cho hệ thống truyền dẫn ngắn Trong [11], tác giả đề cập đến hệ thống ARoF DRoF với loại máy thu tách sóng trực tiếp tách sóng kết hợp khác chủ yếu tập trung nghiên cứu hệ thống đồng tần http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Văn Tuấn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN (Homodyne), kết so sánh hệ thống thể dạng bảng so sánh đặc điểm chung băng thơng, độ nhạy, tính phức tạp hệ thống… Bài báo tiến hành khảo sát so sánh đánh giá đặc tính SNR, BER hệ thống ARoF DRoF cho phương pháp tách sóng trực tiếp tách sóng kết hợp Trong phương pháp tách sóng kết hợp, báo tiến hành so sánh, đánh giá kiểu điều chế tách sóng khác ASK, FSK, PSK đổi tần đồng bộ, không đồng đồng tần với nhiều kịch thay đổi PTX, d PLO Phần báo khảo sát mơ hình tính tốn, SNR BER Phần sử dụng cơng cụ để tính tốn mơ phỏng, từ tiến hành đánh giá thảo luận Mơ hình tính tốn tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu (SNR) Sơ đồ khối hệ thống ARoF DRoF trình bày tương ứng hình 1a 1b, hệ thống DRoF (1b), tín hiệu vơ tuyến số hóa trước tiến hành điều chế vào sóng ánh sáng để truyền sợi quang 1a Hệ thống RoF tương tự (ARoF) 1b Hệ thống RoF số (DRoF) Hình Hệ thống RoF tương tự (1a) hệ thống RoF số (1b) [9] Trong hệ thống ARoF DRoF phân loại thành hệ thống tách sóng trực tiếp (DD-Direct Detection) hệ thống tách sóng kết hợp (CD-Coherent Detection) Hình 2a trình bày ngun lý tách sóng trực tiếp, sóng ánh sáng đến tách sóng trực tiếp nhờ photodiode để chuyển đổi tín hiệu sang miền điện đưa vào khối xử lý http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(06): 411 - 418 tín hiệu để khơi phục lại tín hiệu RoF ban đầu Hình 2b biểu diễn ngun lý tách sóng kết hợp, sóng ánh sáng đến phối hợp với sóng ánh sáng Laser dao động nội máy thu trước photodiode tách sóng Tín hiệu quang đến Xử lý tín hiệu Photodiode 2a) Tách sóng trực tiếp Tín hiệu quang đến Photodiode Xử lý tín hiệu Laser dao động nội 2b) Tách sóng kết hợp Hình Nguyên lý tách sóng trực tiếp (2a) tách sóng kết hợp (2b) Hiệu hệ thống ARoF DRoF thể tỉ số cơng suất tín hiệu công suất nhiễu (SNR) tỉ lệ lỗi bít (BER) nhận máy thu Khác với hệ thống ARoF, hệ thống DRoF thực trình chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC DAC) làm phát sinh loại nhiễu trội tác động vào tín hiệu [13], [14] bao gồm nhiễu lọc băng thông trước lấy mẫu, nhiễu chồng phổ, nhiễu lượng tử hóa ADC, nhiễu trượt (jitter) ADC DAC nhiễu tách sóng Các loại nhiễu ảnh hưởng đến tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu tổng SNR hệ thống sau: + SNR hệ thống ARoF DRoF sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD) biểu diễn theo SNR thành phần [13], [14] −1 −1 −1 SNR ARoF _ DD = SNR IM + SNR DD −1 −1 −1 −1 SNRDRoF _ DD = SNR F + SNR A + SNRQ −1 + SNR J−1− ADC + SNR J−1− DAC + SNRDD (1) (2) Trong đó, SNRIM, SNRDD SNR ảnh hưởng nhiễu xuyên điều chế SNR tách sóng trực tiếp SNRF, SNRA, SNRQ, SNRJ-ADC, SNRJ-DAC SNR ảnh hưởng lọc băng thông, chồng phổ, 413 Nguyễn Văn Tuấn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN lượng tử hóa, ảnh hưởng trượt chuyển đổi ADC DAC + SNR hệ thống ARoF DRoF sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp (CD) bao gồm SNR thành phần trình bày theo biểu thức [13], [15] −1 −1 −1 SNR ARoF _ CD = SNRIM + SNRCD −1 −1 −1 −1 SNRDRoF _ CD = SNRF + SNR A + SNR J − ADC −1 + SNRQ−1 + SNRCD + SNRJ−1− DAC (3) (4) Trong đó, SNRCD SNR tách sóng kết hợp Các SNR thành phần trình bày sau: + SNR tách sóng trực tiếp (DD) xác định biểu thức [16], [17], [18] SNRDD = S DD N Q + N D + N TH (5) R PS2 RL = 2qBe RPS RL + 2qBe ( I DB + I DS )RL + KTBe Với SDD, NQ, ND, NTH cơng suất tín hiệu điện điện trở tải RL, cơng suất nhiễu lượng tử, nhiễu dịng tối nhiễu nhiệt PS cơng suất tín hiệu quang đến đầu vào máy thu; R, RL hệ số chuyển đổi quang điện điện trở tải photodiode; q, K, T điện tích electron, số Boltzmann nhiệt độ tuyệt đối; IDBvà IDS: dòng tối khối dòng tối bề mặt photodiode; Be: băng thông điện máy thu + SNR tách sóng kết hợp (CD) biểu diễn theo biểu thức [16], [17], [18] SNRCD == S CD = N Q + N D + N TH R PS PLO RL 2qBe R( PS + PLO )RL + 2qBe ( I DB + I DS )RL + KTBe (6) Với SCD cơng suất tín hiệu điện điện trở tải RL, PLO công suất quang Laser dao động nội Biểu thức (6) tương ứng với trường hợp sử dụng vịng khóa pha OPLL vịng khóa phân cực để đồng sóng quang đến tách sóng sóng quang Laser dao động nội +Trong hệ thống ARoF, sóng mang vô tuyến kênh khác tác động vào 414 225(06): 411 - 418 sóng mang vơ tuyến kênh khảo sát tạo nhiễu xuyên điều chế SNR ảnh hưởng nhiễu xuyên điều chế xác định theo biểu thức [13], [14] SNRIM ( dB ) = 2IP − 2Pin (7) Trong đó, IP điểm chặn (Intercept Point) Pin cơng suất sóng mang vô tuyến + SNRF ảnh hưởng lọc băng thơng trình bày sau [13] SNRF = Psig PNth = Psig N0 B (8) Với B, Psig băng thông lọc công suất tín hiệu vào lọc, N0 mật độ phổ công suất nhiễu + Do tác động nhiễu chồng phổ, SNRA lấy mẫu biểu diễn sau SNRA = Psig ( m − )PNth = Trong đó: m = Beff B Psig ( m − )N B (9) với Beff băng thông hiệu dụng lấy mẫu + SNRJ-ADC ADC bị ảnh hưởng nhiễu trượt (Jitter) trình chuyển đổi AD SNRJ = Psig 2 f 2 2 A = 4 f 2 (10) Với độ trượt (jitter) xung clock, A f biên độ tần số tín hiệu vào hình sine + SNRQ ADC tác động nhiễu lượng tử, xác định sau: −0.5 M + SNRQ = 20 lg 32 Q M − [dB] (11) M +1 = 6.02Q + 10 lg M −1 Trong đó, Q số bit từ mã hóa tín hiệu vô tuyến (RF), M số trạng thái điều chế + SNRJ-DAC DAC bị ảnh hưởng nhiễu trượt trình chuyển đổi DAC SNRJ −DAC = ( + f / f S )( 42 f S2 sin2 ( f / f S ) (12) Với fS tần số lấy mẫu tín hiệu http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Văn Tuấn Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Hệ thống ARoF DRoF dùng kỹ thuật tách sóng trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế - giải điều chế ASK Trong đó, hệ thống ARoF DRoF tách sóng kết hợp sử dụng nhiều phương pháp điều chế - giải điều chế: ASK, FSK, PSK, có đổi tần đồng bộ, đổi tần không đồng đồng tần Mối quan hệ SNR tổng biểu thức (1) đến (4) BER hệ thống ARoF DRoF theo phương pháp giải điều chế biểu diễn sau [16], [17], [18] Bảng Các thông số hệ thống khảo sát R RL T IDB IDS B Be f 𝜆 m IP PTX PLO Các thông số hệ thống Hệ số chuyển đổi quang điện 0,8 A/W Điện trở tải photodiode 50 Ω Nhiệt độ máy thu 300oK Dòng tối khối 100 x10-12 A Dòng tối bề mặt [A] 100 x10-12 A Băng thông lọc ADC x 10-9 Hz Băng thông máy thu 0,75 x 109 Hz Độ trượt ADC DAC 0,3 x 10-12 Hz Tần số sóng vơ tuyến RF x 109 Hz Tần số lấy mẫu tín hiệu RF 2,5 x 109 Hz ADC Suy hao 1km sợi quang 0,25 dB/km (kể suy hao mối hàn) Bước sóng quang 1550 nm m= Beff/B Điểm chặn (Intercept point) 12 - 20 Công suất nguồn phát -5dBmquang +5dBm Công suất quang -5dBmdao động nội +5dBm Kết quả thảo luận 3.1 So sánh BER hai hệ thống ARoF DRoF tách sóng trực tiếp (DD) theo cơng suất phát PTX Hình Quan hệ BER PTX hệ thống ARoF DRoF tách sóng trực tiếp với d = 80 km d=90 km http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(06): 411 - 418 Hình biểu diễn mối quan hệ BER công suất nguồn phát quang PTX hai hệ thống ARoF DRoF sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp với khoảng cách truyền d = 80 km d = 90 km Để tiện việc phân tích, báo so sánh BER tương ứng với trường hợp d = 90 km trước Từ đồ thị ta thấy, công suất nguồn phát quang PTX cịn nhỏ (PTX SNRARoF-DD, nghĩa BER DRoF nhỏ ARoF Khi tăng công suất phát (từ PTX =-2dBm lên thành PTX =-1dBm) BER hệ thống ARoF DRoF tốt Điều 416 Hình trình bày đặc tuyến BER theo khoảng cách d hai hệ thống ARoF DRoF tách sóng kết hợp (CD) dùng kỹ thuật giải điều chế ASK, FSK, PSK đổi tần đồng bộ, không đồng ASK đồng tần với công suất quang dao động nội PLO = dBm Trong tất kỹ thuật giải điều chế, hai hệ thống có BER