Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

LỜI MỞ ĐẦU Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thông hiện nay sự đòi hỏi ngày càng cao về hệ thống truyền tải thông tin đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng về tốc độ và dung lượng

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn quý thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã dạy dỗ và cung cấp đầy đủ các kiến thức cần thiết để chúng em tự tin bước vào đời Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy GS TS Lê Nguyên Bình, người định hướng nội dung và cung cấp cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành đề tài Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy ThS Đặng Lê Khoa, người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình xây dựng hệ thống mô phỏng trong đề tài

Con xin cám ơn cha mẹ, người đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con trong quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cám ơn tất cả bạn bè, những người đã luôn bên cạnh cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô và các bạn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Vũ Linh

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 6

1.3 Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 2:PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM 8

2.1 Định nghĩa QAM: 8

2.2 Điều chế QAM 9

2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM 10

2.4 Đặc điểm của tín hiệu QAM 12

2.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM 12

2.6 Thiết kế 16-QAM 4R 15

CHƯƠNG 3:

3.1 Giới thiệu hệ thống CO- OFDM 20

3.2 Kỹ thuật OFDM 21

3.2.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 21

3.2.2 Tính trực giao OFDM 22

3.2.3 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM 23

3.2.4 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 25

3.5 Kênh truyền quang 35

3.5.1 Giới thiệu sợi quang 35

3.5.2 Suy hao sợi quang 37

CHƯƠNG 4:MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 41

4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM 42

4.1.1 Bộ phát 42

4.1.2 Mô phỏng kênh truyền sợi quang 47

4.1.3 Bộ thu quang coherrent 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỬ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Converter

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line APD Avalanche-Photo-Diode

ASE Amplified Spontaneous Emission noise BER Bit Error Ratio

BPSK Binary Phase Shift Keying BW BandWidth

DFB Distributed Feedback Lasers

DFT/IDFT Discrete Fourier Transform/ Invert Discrete Fourier Transform

FEC Forward Error Correction

FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT FWM Four-Wave Mixing

GI Graded-Index Fibers GI Guard Interval

GVD Group Velocity Dispersion I Inphase

ICI Inter-Carrier Interference IM Intensity Modulator ISI Inter-Symbol Interference

LAZER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LED Light Emitting Diode

MCM Multi-carrier Modulator MZM Mach-Zehnder Modulator

NLSE Non Linear Schrödinger Equation OFA Optical Fiber Amplifier

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial converter

PAPR Peak-to-Average Power Ratio PMD Polarization Mode Dispersion PSK Phase-Shift Keying

S Sensitivity

S/P Serial to Parallel converter SBS Stimulated Brillouin Scattering SCM Single-Carrier Modulator SI Step-Index Fibers

SNR Signal to Noise Ratio

SOA Optical Semiconductor Amplifier SOA Optical Semiconductor Amplifier SPM Self-Phase Modulation

SRS Stimulated Raman Scattering Tx Transmitter

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang 5

Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM 8

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM 10

Hình 2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM 11

Hình 2.4 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu 13

Hình 2.5 Bốn tập hợp tín hiệu QAM tám điểm (M=8) 14

Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R 15

Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao 16

Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R 18

Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM 21

Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 22

Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số 23

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 24

Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM 25

Hình 3.6 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZN 26

Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng 28

Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator 30

Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn 31

Hình 3.11 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi 31

Hình 3.12 Mô hình bộ thu quang kết hợp 32

Hình 3.13 Tách sóng Coherrent Homodyne 34

Hình 3.14 Cấu trúc sợi quang 36

Hình 3.15 Các loại sợi quang phân loại theo chiết suất của lõi 36

Hình 3.16 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng quang 38

Hình 3.17 Tán sắc trong sợi quang 38

Hình 3.18 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sóng 40

Hình 3.19 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến 41

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống CO-OFDM 42

Hình 4.2: Mô hình bộ phát quang 43

Hình 4.3: Khối điều chế tín hiệu OFDM 43

Hình 4.4 Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli 44

Hình 4.8 Bộ điều chế pha – phase modulator 46

Hình 4.9 Bộ dịch pha – phase shift block 46

Hình 4.10 Mô hình truyền dẫn sợi quang 47

Hình 4.11 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink 48

Hình 4.13 Mô hình bộ khuếch đại EDFA 48

Hình 4.14 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX 49

Hình 4.15 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver 50

Hình 4.16 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver 50

Hình 4.17 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx 51

Hình 4.18 Phần thực và phần ảo ngõ vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM 51

Hình 4.19 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM 52

Hình 4.20 Giản đồ chòm sao tương ứng với phía phát và phía thu 52

Hình 4.21 Giản đồ chòm sao ở phía đầu thu 53

Hình 4.22 Giản đồ mắt tại phía thu 54

Hình 4.23 Khảo sát BER dựa trên công suất đầu vào sợi quang 55

Hình 4.24 Khảo sát BER theo khoảng cách của hai phương pháp điều chế 4QAM và 16QAM 56

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thông hiện nay sự đòi hỏi ngày càng cao về hệ thống truyền tải thông tin đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng về tốc độ và dung lượng của hệ thống Vì vậy, hệ thống thông tin quang từ khi ra đời đến nay đã không ngừng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về một hệ thống mạng viễn thông có dung lượng lớn, tốc độ cao… và đã thay thế dần mạng lưới thông tin hiện tại

Hiện nay, nhiều kỹ thuật tiên tiến đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm khai thác triệt để khả năng truyền tải thông tin gần như vô tận mà hệ thống thông tin quang mang lại Một trong những hệ thống thông tin quang thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển hiện nay là hệ thống Coherent Optical OFDM (CO-OFDM) Hệ thống này sử dụng kỹ thuật OFDM để xử lý tín hiệu trong miền điện nhằm nâng hiệu suất sử dụng phổ và có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm giảm tốc độ của hệ thống Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM, chúng ta có thể nâng cao hiệu quả băng tần và giảm sự ảnh hưởng của tán sắc bằng cách sử dụng các bộ điều chế nhiều mức Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM với cách bố trí giản đồ chòm sao hợp lý sao cho giảm được ảnh hưởng tán sắc đến hệ thống thông tin quang Ngoài ra, đề tài còn tập trung khảo sát việc sử dụng bộ điều chế đa mức vào hệ thống CO-OFDM nhằm giảm băng thông, nâng cao tốc độ truyền và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống

Nội dung chính của đề tài bao gồm 5 chương và được tóm tắt như sau:

 Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử và những điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang và kỹ thuật OFDM Bên cạnh đó, trong chương này của đề tài cũng nêu lên ý tưởng chính của đề tài

 Chương 2 trình bày các vấn đề về lý thuyết cơ bản phương pháp điều chế QAM cũng như việc thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM

 Chương 3 trình bày chi tiết về các kỹ thuật và nguyên lý được sử dụng trong hệ

 Chương 5 là phần kết luận của đề tài Trên cơ sở các kết quả đạt được, đề tài đưa ra các hướng có thể tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nội dung chính của chương 1 trình bày sơ lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, tiềm năng và xu hướng phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai Bên cạnh đó, trong chương này cũng trình bày một cách tổng quan những đặc điểm nổi trội của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Đây là cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang để xây dựng lên hệ thống CO-OFDM Cuối chương này sẽ trình bày ý tưởng chính của đề tài

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền tin Đó là hệ thống truyền tin bằng ánh sáng cơ bản nhất mà con người đã phát minh ra Những hệ thống mà người xưa sử dụng mà đa số chúng ta điều biết là các chòi lửa báo tin trong chiến trận và các ngọn hải đăng dẫn đường trên biển Hệ thống truyền thông bằng ánh sáng ngày nay đã có nhiều bước phát triển vượt bậc giúp cho chúng ta truyền tải thông tin với tốc độ lên đến hàng Terabit trên giây với khoảng cách lên đến hàng ngàn Kilomet vượt qua tất cả các đại dương và châu lục trên thế giới Các hệ thống thông tin quang ngày càng đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống truyền dẫn đường dài, tốc độ cao và tỷ lệ lỗi thấp Chính vì vậy nó dần thống lĩnh toàn bộ hệ thống mạng viễn thông trên toàn thế giới Để có được những kết quả như vậy hệ thống thông tin quang đã trải qua một quá trình phát triển và hoàn thiện Chúng ta có thể tóm tắt bằng các cột mốc chính sau đây:

- Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó Thời gian đó tin tức được truyền với tín hiệu này vượt chặng đường 200 Km trong vòng 15 phút

- Năm 1854: John Tydall, nhà vật lý tự nhiên người Anh đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt

mang tiếng nói đi Ở đầu thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế bằng cách đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ biến đổi thông điện thành dòng điện - Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về

hệ thống thông tin quang Phương tiện ông truyền dẫn của ông là thanh thủy tinh

- Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany đã phát triển sợi quang có hai lớp Bao gồm lớp lõi bên trong và lớp bọc bao quang xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng trong lõi

- Năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi

- Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao

- Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockhan thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu Và họ cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km

- Năm 1967: Suy hao sợi quang được báo cáo là gần 1000dB/Km

- Năm 1970: Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α< 20dB/Km

- Năm 1972: Loại sợi GI được chế tạo với suy hao α < 4dB/Km - Năm 1983: Sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ

Hiện nay, sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi có suy hao α < 0,2 dB/Km ở bước sóng 1550nm và trong một số nghiên cứu gần đây thì giá trị suy hao đã xuống dưới 0,154 dB/Km.[1]

Qua tiến trình lịch sử của hệ thống thông tin quang, ta thấy với sự phát triển của công nghệ chế tạo các nguồn phát quang, thu quang và sợi quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại là:

- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ - Băng tầng truyền dẫn lớn

- Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao - Có kích thước và trọng lượng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt

- Tin cậy và linh hoạt

- Sợi được chế tạo từ vật liệu có sẵn

Với những ưu điểm tuyệt vời như trên thì hệ thống thông tin quang ngày càng được nghiên cứu và phát triển để đạt được tốc độ lên hàng Tb/s Hình 1.1 cho ta thấy, vào những năm 1995 thì hệ thống quang WDM đã được thương mại hóa với tốc độ đạt 40 Gb/s Các hệ thống ghép kênh DWDM được nghiên cứu hiện nay đã có kết quả thực nghiệm lên tới hàng chục Tb/s vào những năm đầu của thế kỷ XXI [1]

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM Trong hệ thống truyền thông ngày nay thì các hệ thống sử dụng kỹ thuật đơn sóng mang không thể đáp ứng được những yêu cầu về truyền dẫn tốc độ cao và hiệu suất sử dụng phổ Kỹ thuật OFDM là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiện ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có thể truyền dẫn tốc độ cao bằng cách truyền nhiều luồng song song có tốc độ thấp hơn

Nhìn lại một chút về lịch sử của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy quá trình hình thành và phát triển của nó Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Đến những năm 1990, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như ADSL, HDSL, VHDSL sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền thông số DVB Những năm gần đây kỹ thuật OFDM đã được sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động LTE và WiMAX

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật OFDM như: (1) loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nhờ sử dụng chuổi bảo vệ (GI) (2) Sử dụng hiệu quả băng

tầng do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Với những ưu điểm nổi bật như trên, kỹ thuật OFDM đã và đang được tiếp tục nghiên cứu, cải tiến ở nhiều nơi trên thế giới[2]

Một trong hướng nghiên cứu đó là ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống thông tin quang nhằm giải quyết các vấn đề được đặt ra khi nâng cao tốc độ hệ thống Đó là việc kéo dài thời gian cho mỗi symbol khi truyền sẽ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc trong sợi quang Ngoài ra, việc chia tốc độ của hệ thống ra nhiều luồng tốc độ nhỏ hơn cũng làm nâng cao khả năng truyền tải thông tin của hệ thống

1.3 Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI

Mục đích chính của đề tài là thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16-QAM và ứng dụng vào trong hệ thống CO-OFDM Đề tài sử dụng công cụ Matlab Simulink để xây dựng một hệ thống CO-OFDM và khảo sát tác động của các phương pháp điều chế khác nhau vào hệ thống để chứng tỏ được những ưu điểm của phương pháp điều chế bậc cao trong việc tăng tốc độ truyền dẫn, tối ưu băng thông và giảm những ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc lên hệ thống

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM

2.1 Định nghĩa QAM:

QAM là dạng điều chế số mà thông tin được chứa cả trong biên độ và pha của sóng mang được truyền Các trạng thái thường gặp của điều chế QAM là 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, 256-QAM

Hình 2.1: Các loại giản đồ chòm sao của QAM

Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín hiệu số Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học và thống kê Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của một tín hiệu

Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 900 Mỗi lỗi pha tạo ra do sự dịch pha của điều chế I/Q Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này không trực giao với nhau sau khi giải điều chế

Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong tần số truyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp Tần số của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của sự xoay vòng các điểm sao chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu Giản đồ chòm sao sẽ biểu hiện hướng dịch chuyển của các điểm sao so với các trạng thái tín hiệu lý tưởng Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền Nhiễu Gausse có mật độ công suất xác định và phân bố biên độ Gausse lên băng thông của kênh Nếu tại cùng 1 điểm không có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn

2.2 Điều chế QAM

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng:

(Quadrture-Amplitude-U m(t) = A mcgT (t) cos2πƒc t + A msgT (t) sin2πƒc t m=1,2, ,M (2.1)

Trong đó {A mc} và {A ms} là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu Ví dụ, một giản đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM Nói chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng sóng mang trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM

Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễn theo:

Umn(t) = A mcgT (t) cos(2πƒct+θn) m=1,2, ,M1, n=1,2, ,M2 (2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM 2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình truyền dẫn tín hiệu Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gausse Vì vậy, r(t) có thể biểu diễn theo:

rC = A mc + nccosΦ – nssinΦ

rS = A mc + ncsinΦ – nscosΦ (2.5) Trong đó:

Các thành phần ồn là các biến ngẫu nhiên Gausse không tương quan, trung bình 0 và varian N0 /2

Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách

Trong đó r= (rc, rs)

2.4 Đặc điểm của tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK Ngoài ra nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này

Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng

Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thông tin Số lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n

giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bit Đối với những hệ thống dùng hơn 4 bit để truyền thông tin thì người ta thường dùng điều chế QAM thay cho điều chế PSK vì xác suất lỗi thấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn

2.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM có thể được biểu diễn như sau:

Như vậy với các ứng dụng trong thực tế, tỷ lệ sai số của hai tín hiệu này là như nhau Nói cách khác, không có sự khác biệt giữa hai loại tín hiệu này khi sử dụng trong thực tế

Hình 2.4 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu

Xét trường hợp QAM với M=8 Có nhiều tập hợp các tín hiệu, và ta xét bốn tập hợp các tín hiệu như hình 2.5, tất cả các loại tín hiệu đều có hai mức biên độ và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu là 2A Các giá trị (Amc, Ams ) được chuẩn hóa bởi A Giả sử các tín hiệu nhiều xác suất, công suất trung bình của tín hiệu truyền đi là:

Với (amc, amc ) là tọa độ các điểm tín hiệu đã được chuẩn hóa bởi A

Hình 2.5 Bốn tập hợp tín hiệu QAM tám điểm (M=8)

Hai tập hợp tín hiệu (a) và (c) có các điểm tín hiệu trong một hình chữ nhật và Pav = 6A2 Tín hiệu trong hình (b) có công suất trung bình Pav = 6,83A2 và hình (d) là 4,73A2 Như vậy tín hiệu (d) yêu cầu công suất thấp hơn 1dB so với tín hiệu thứ nhất và 1,6dB so với tín hiệu thứ hai với cùng một xác suất lỗi Loại tín hiệu này là loại tín hiệu QAM với M=8 tốt nhất do yêu cầu về công suất nhỏ nhất với khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu đã cho

Với M ≥ 16, có nhiều khả năng lựa chọn tín hiệu QAM trong không gian hai chiều Ví dụ, ta có thể chọn tín hiệu nhiều mức biên độ Loại tín hiệu QAM với M=16 này là mở rộng của tín hiệu QAM với M=8 tối ưu Tuy nhiên tín hiệu loại này không phải là tốt nhất trong kênh AWGN do tín hiệu càng có nhiều mức biên độ thì mức ảnh hưởng của nhiễu cộng lên các mức tín hiệu này ngày càng lớn Tuy nhiên, với nhiều mức biên độ thì số pha trên mỗi mức biên độ sẽ giảm và với cách bố trí trí hợp lý thì dạng tín hiệu này tối ưu trong các kênh truyền có ảnh hưởng xoay pha lên tín hiệu

2.6 Thiết kế 16-QAM 4R

Trong các hệ thống hiện nay bộ điều chế 16QAM thường được sử dụng là dạng 16 QAM chữ nhật do nó có ưu điểm là dễ dàng tạo ra từ hai tín hiệu PAM điều chế vào các tín hiệu pha vuông góc Tuy nhiên, đề tài này tập trung nghiên cứu để thiết kế một bộ điều chế và giải điều chế 16 QAM với cách phân bố điểm sao mới nhằm giải quyết vấn đề xoay pha tín hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền

Bộ điều chế 16QAM 4R là cách thiết kế tín hiệu có 4 mức biên độ và tại mỗi mức biên độ có 4 pha khác nhau Hình 2.6 biểu diễn cách bố trí điểm sao trên giản đồ của 16 – QAM 4R và 16 - QAM Rectangular

Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R

Vấn đề đặt ra khi thiết kế bán kính của các vòng tròn là sao cho khoảng cách giữa 2 điểm trên giản đồ chòm sao là nhỏ nhất Sau đó ta phải phân bố các điểm vào giản đồ theo mã Gray sao cho số bit giống nhau giữa 2 điểm lân cận là nhỏ nhất

 Tính toán bán kính các vòng tròn:

Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao Gọi : Bán kính vòng tròn 1 là r1

Bán kính vòng tròn 2 là r2 Bán kính vòng tròn 3 là r3 Bán kính vòng tròn 4 là r4

Khoảng cách giữa 2 điểm sao trong vòng tròn r1 là d1 Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 3 là d2 Khoảng cách giữa vòng tròn 2 và vòng tròn 4 là d3 Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 2 là d4

Bằng cách sử dụng hàm phân bố xác suất Gauss, người ta đã chứng minh được rằng tỷ lệ lỗi bit (BER sẽ thấp nhất khi d1 = d2 = d3=d4 = d min

Sau khi khảo nghiệm ta có: R1 = 0,4; R2= 0,7728; R3=0,9657; R4= 1,3375; D

min= 0,5657

 Chuyển đổi từ mã bit sang mã Gray: Mã Bit Mã Gray

Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R

Từ kết quả trên ta có các mức tín hiệu đưa vào khối điều chế và giải điều chế: [0.4 + 0i 0 + 0.4i -0 - 0.4i -0.4 + 0i 0.5456 - 0.5456i -0.5456 - 0.5456i 0.5456 + 0.5456i -0.5456 + 0.5456i 0.9465 - 0.9465i -0.9465 - 0.9465i 0.9465 + 0.9465i -0.9465 + 0.9465i 0.9657 + 0i 0 + 0.9657i 0 - 0.9657i -0.9657 + 0i]

0100 0.5456 - 0.5456i 0101 -0.5456 -0.5456i

1000 0.9465 – 0.9465i 1001 -0.9465 – 0.9465i 1010 0.9465 + 0.9465i 1011 -0.9465 + 0.9465i

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CO-OFDM

Chương này trình bày mô hình hệ thống Coherrent OFDM trên kênh truyền quang (CO-OFDM) Qua đó phân tích các thành phần và kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống trên như kỹ thuật OFDM, các thiết bị phần thu và phát, sợi quang và các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống trong thông tin quang

3.1 Giới thiệu hệ thống CO- OFDM

Trong những năm gần đây thì kỹ thuật OFDM được sử dụng ngày càng rộng rãi và được ứng dụng trong nhiều hệ thống thế hệ mới Một trong những hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM vào để tận dụng những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật OFDM nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn là hệ thống thông tin quang Với việc sử dụng kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu ở miền điện và kỹ thuật tách sóng kết hợp (CO- Coherrent Detector) hệ thống CO- OFDM đã có thể truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cách lớn

CO-OFDM là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền trên sợi quang Mô hình hệ thống CO-OFDM gồm có 5 khối cơ bản như trong Hình 3.1 [5] tr.264 Khối đầu tiên là khối RF OFDM transmiter, có nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện Khối thứ hai là khối RF-to-optical up-converter, là khối điều chế tín hiệu quang hay nói cách khác, đây chính là khối chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang với thành phần chính của khối này là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (MZM) Tiếp theo là kênh truyền sợi quang, có chức năng truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu Khi tín hiệu truyền trên sợi quang, tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sợi quang như tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến… Khối thứ tư là khối optical-to-RF down converter với nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang nhận được trở lại thành tín hiệu điện Và cuối cùng là khối RF OFDM receiver, nhằm giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tương ứng với bên truyền

Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM 3.2 Kỹ thuật OFDM

3.2.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

Trong OFDM, dữ liệu trong mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng

Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

3.2.2 Tính trực giao OFDM

Ý tưởng kỹ thuật OFDM là truyền đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Tốc độ của hệ thống được chia ra thành nhiều nhiều luồng dữ liệu có tốc độ thấp do đó giảm ảnh hưởng của fading đã đường, làm cho mỗi băng con được xem như một kênh fading phẳng Ngoài ra việc các băng tần có thể chồng lấn lên nhau trân cùng một băng tần được cấp phát làm cho hiệu suất sử dụng phổ tần nâng cao

Định nghĩa: Xét một tập hợp các sóng mang con fn(t),n =0,1,…N-1 t1<t<t2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi[5]:

Tập các sóng mang con được truyền có thể viết là:

Xét biểu thức (3.1) ta có:

Từ (3.3) ta thấy, nếu như các sóng mang con liên tiếp cách nhau một khoảng bằng 1/T thì chúng sẽ trực giao với nhau trong chu kỳ symbol T

 Trực giao miền tần số:

Theo hình 3.3 ta thấy, phổ của các sóng mang con có dạng sin chồng lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ đạt cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu Đây là đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng tầng

Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM

 Bộ chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial

- Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng

- Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất

 Bộ IFFT và FFT

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ [6]

 Chèn và loại bỏ dải bảo vệ

- Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI