Nghiên cứu tính năng hệ thống rof sử dụng kỹ thuật ofdm (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Trần Hồng Giang NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG HỆ THỐNG ROF SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: …………………………………………………………… (Ghi rõ học hàm, học vị) 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 lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Thơng tin vơ tuyến trở thành phần thiếu xã hội ngày Sự gia tăng liên tục thiết bị di động không dây với nhu cầu dịch vụ băng rộng tạo áp lực phải tăng dung lượng hệ thống vô tuyến Kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF) công nghệ mong đợi đóng vai trị quan trọng mạng khơng dây tương lai cung cấp cho người dùng đầu cuối khả truy cập dịch vụ mạng băng rộng thực đảm bảo yêu cầu tính di động việc truy cập ngày tăng Trong kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) phân bổ liệu qua số lượng lớn sóng mang đặt cách tần số xác với băng tần chồng lấn Kỹ thuật OFDM cung cấp hiệu suất phổ, khả chống nhiễu RF tốt độ méo đa đường thấp cho hệ thống khơng dây sử dụng kỹ thuật FFT cho điều chế cung cấp tính trực giao cho sóng mang để q trình giải điều chế không bị xuyên nhiễu băng tần Sử dụng kỹ thuật OFDM xu hướng cho mạng truy nhập vô tuyến băng rộng hỗ trợ tốc độ liệu cao Do việc kết hợp OFDM với truyền dẫn RoF đem lại nhiều ý nghiên cứu hạ tầng truyền tải mạng không dây hệ Sự kết hợp làm hệ thống RoF sử dụng cho truyền dẫn khoảng cách ngắn dài tốc độ cao Điều cải thiện độ linh hoạt hệ thống cung cấp phạm vi bao phủ rộng cho mạng mà không tăng giá thành độ phức tạp hệ thống lên nhiều Nghiên cứu đánh giá tính hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM nội dung luận văn Cấu trúc luận văn sau: Chương giới thiệu tổng quan truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber) Chương nghiên cứu kỹ thuật OFDM cho hệ thống RoF Chương mô hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM, đánh giá kết thu từ mô Do hạn chế thời gian kiến thức thân, luận văn tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong đóng góp ý kiến thầy cơ, học viên quan tâm để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Nhân hướng dẫn em hoàn thành luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RADIO OVER FIBER) 1.1 Giới thiệu chung Chương bao gồm phần, phần trình bày khái quát thành phần truyền dẫn quang sợi quang, nguồn quang (Laser), kỹ thuật điều biến quang, điều biến, khuếch đại quang, thu quang Phần thứ hai giới thiệu cách tổng quan lý thuyết RoF, đặc điểm RoF kiến trúc mạng RoF Phần thứ ba trình bày ứng dụng RoF mạng WLAN, mạng di động tế bào, thông tin vệ tinh dịch vụ di động băng rộng 1.2 Các thành phần hệ thống truyền dẫn sợi quang 1.2.1 Sợi quang Sợi quang môi trường điện môi cho thông tin truyền qua từ điểm tới điểm dạng ánh sáng Với kích thước nhỏ sợi quang cho phép nhiều sợi quang không gian so với cáp đồng Sợi quang an tồn mơi trường bị ăn mịm, truyền dẫn sợi quang không bị ảnh hưởng nhiễu cảm ứng điện từ khơng gây nhiễu Có hai loại sợi quang sợi quang có chiết suất bậc sợi quang có chiết suất biến đổi Sợi quang chiết suất bậc có thay đổi chiết suất đột ngột tiếp giáp mặt vỏ - 1õi, sợi quang có chiết suất biến đổi có chiết suất giảm dần bên lõi 1.2.2 Bộ phát quang Vai trò phát quang biển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi quang để truyền tới phía thu Linh kiện phát quang nguồn phát quang Các nguồn quang sử dụng diode phát quang (LED) laser bán dẫn (LD) Ở LED, lớp chuyển tiếp p-n phân cực thuận phát ánh sáng thông qua phát xạ tự phát, tượng gọi tượng quang điện ánh sáng tạo cặp điện tử - lỗ trống tái hợp lại với vùng nghèo.Laser bán dẫn phát ánh sáng chủ yểu phát xạ kích thích Phát xạ kích thích có cơng suất phát cao phát xạ tự phát Độ mở góc chùm sáng laser đầu hẹp so với LED đem đến khả ghép nối cao với sợi quang đơn mode Phố ánh sáng phát hẹp cho phép laser hoạt động tốc độ cao Ngoài ra, laser bán dẫn điều chế trực tiếp tần số cao tượng phát xạ kích thích có thời gian tái hợp cặp điện tử - lỗ trống ngắn Trong hầu hết hệ thống truyền dẫn quang, nguồn quang thường sử dụng laser bán dẫn hiệu suất chúng cao so với LED Hình 1.3 - Đặc tính điều chế Laser Có phương pháp để điều biến ánh sáng hệ thống quang: điều chế trực tiếp điều chế ngồi Phương pháp điều biến trực tiếp,các tín hiệu điện đưa vào phát quang thực điều biến trực tiếp thành tín hiệu quang nhờ Laser Diode LED Hình 1.3 cho thấy đặc tính điều chế laser diode với tín hiệu điện dạng tương tự hệ thống RoF Một vấn đề cần quan tâm điều chế trực tiếp méo dạng phi tuyến q trình điều chế đặc tính điều chế, méo dạng phi tuyến bậc hai bậc ba gây suy giảm chất lượng hệ thống RoF Trong kỹ thuật điều chế ngoài, thiết bị riêng biệt sử dụng để điều chế ánh sáng Điều chế trở thành phương pháp vượt trội cho hệ thống thong tin quang đường dài tốc độ cao Các điều chế làm nhiều loại vật liệu kiến trúc vật liệu điện-quang thông thường số điện mơi ảnh hưởng đến hình dạng điện trường 1.2.3 Bộ khuếch đại Khuếch đại quang chia làm hai loại khuếch đại toàn quang lặp quang điện Khi tín hiệu quang yếu khơng thể truyền xa lặp thu lại biến đổi thành tín hiệu điện, sau tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện lại biến đổi tín hiệu quang để truyền lên đường truyền Quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà khơng cần phải thơng qua q trình biến đổi tín hiệu điện gọi khuếch đại toàn quang Tùy thuộc vào vị trí lắp đặt mà có khuếch đại sau: Khuếch đại công suất, khuếch đại thu, khuếch đại đường truyền Khuếch đại quang dùng nguyên 1ý phát xạ kích thích, giống phương pháp sử dụng laser Có hai dạng khuếch đại quang khuếch đại laser bán dẫn khuếch đại quang sợi khuếch đại quang sợi pha tạp đất Erbium sử dụng phổ biến 1.2.4 Bộ thu quang Vai trò thu quang biến đổi tín hiệu quang trở dạng tín hiệu điện Thành phần thu quang tách sóng quang, chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện dựa hiệu ứng quang điện Yêu cầu tách sóng quang tương tự với nguồn quang là: độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành thấp độ tin cậy cao Có hai kiểu tách sóng tách sóng trực tiếp tách sóng kết hợp (coherent) a Tách sóng trực tiếp Trong thu quang tách sóng trực tiếp, tách sóng quang chuyển đổi luồng photon đến thành dịng điện Dịng điện Sau khuếch đại cho qua thiết bị ngưỡng Một bit mức logic phụ thuộc vào dòng giá trị ngưỡng cho trước thời gian bit Nói cách khác, định dựa có ánh sáng hay khơng thời gian bit Thiết bị tách sóng mạng quang tách sóng trực tiếp photodiode (PIN) Và photo diode thác (APD) Trong dạng đơn giản nó, photodiode lớp chuyển tiếp p-n định thiên ngược Qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng tới vùng lớp chuyển tiếp tạo cặp điện tử - lỗ trống miền "n" "p" photodiode Các điện tử giải phóng miền "p" vượt qua tới miền "n" lỗ trống tạo miền "n" vượt qua tới miền "p", sinh dịng điện b Tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD) Hầu hết kỹ thuật RoF dựa vào nguyên lý trộn coherent diode phát quang để tạo tín hiệu RF Các kỹ thuật gọi chung kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa (RHD) Trong sử dụng chuyển đối quang-điện Diode quang hoạt động trộn, đóng vai trị phần tử chỉnh hệ thống RoF dựa RHD Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang truyền đồng thời chúng có quan hệ với tới đầu thu Khi trường quang tín hiệu trường quang dao động nội trộn với qua photodiode chuyển thành tín hiệu RF Sơ đồ khối phía thu kỹ thuật mơ tả hình 1.5 Trong kỹ thuật tần số dao động nội lựa chọn hiệu chỉnh cho tín hiệu RF tạo tần số mong muốn Hình 1.5 - Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 1.3 Truyền dẫn vơ tuyến qua sợi quang RoF 1.3.1 Tổng quan RoF Hình 1.6 - Mơ tả truyền dẫn RoF Truyền sóng vơ tuyến sợi quang RoF (Radio over Fiber) phương pháp truyền tín hiệu vơ tuyến điều chế sợi quang Hay nói cách khác RoF sử dụng tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn tín hiệu RF (analog) đến trạm thu phát Cơng nghệ truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối tín hiệu tần số vơ tuyến (RF) từ vị trí trạm trung tâm tới khối anten đầu xa (RAUs), hình 1.6 1.3.2 Các đặc điểm RoF a Ưu điểm  Suy hao thấp  Băng thông rộng  Không chịu ảnh hưởng nhiễu tần số vô tuyến  Lắp đặt bảo dưỡng dễ dàng  Giảm công suất tiêu thụ  Phân bổ tài nguyên động b Nhược điểm Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự tách sóng ánh sáng nên hệ thống truyền dẫn tương tự Do tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu méo, hạn chế hệ thống thông tin tương tự hệ thống RoF Những ảnh hưởng có xu hướng giới hạn dải động (DR) tuyến RoF Nguồn tạp âm đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ tách sóng quang, nhiễu nhiệt khuếch đại Đối với méo dạng hệ thống RoF, thành phần méo dạng méo dạng phi tuyến trình điều chế đề cập phần 1.2.2, tán sắc sợi yếu tố gây méo dạng giới hạn khoảng cách truyền dẫn hệ thống Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu thành phần nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode thành phần chủ yếu đóng góp vào méo dạng Để khắc phục méo dạng kỹ thuật bù áp dụng phát để tuyến tính hóa đặc tính điều chế và/hoặc thu thơng qua kỹ thuật ước tính kênh cân 1.3.3 Kiến trúc mạng RoF Một tuyến quang sử dụng công nghệ RoF bao gồm thành phần chính: Mobile Host (MH): thiết bị động mạng đóng vai trị thiết bị đầu cuối Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vơ tuyến nhận từ CS đến MH, nhận sóng vơ tuyến nhận từ MH truyền CS BS khơng có chức xử lý tín hiệu, đơn biến đổi từ thành phần điện/quang ngược lại để chuyển nhận từ CS BS gồm thành phần antenna thành phần chuyển đổi quang điện tần số RF Central Station (CS): trạm xử lý trung tâm Do kiến trúc mạng tập trung nên tất chức định tuyến, cấp phát kênh,… thực chia sẻ CS Hình 1.7 - CS-BS-MH tuyến RoF 1.4 Một số ứng dụng kỹ thuật RoF a Mạng tế bào Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh với nhu cầu ngày lớn dịch vụ băng rộng gây áp lực đòi hỏi mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM hay UMTS) truyền dẫn cách hiệu CS BS cách tận dụng lợi ích sợi quang Các chức RoF khác phân bổ dung lượng động đem lại ích lợi hoạt động đáng kể mạng tế bào b Thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh ứng dụng thực tiễn kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa antenna trạm mặt đất Hệ thống sử dụng tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ 1km hoạt động tần số từ 1GHz đến 15GHz Bằng cách đó, thiết bị tần số cao lắp đặt cách tập trung Với việc sử dụng kỹ thuật RoF, anten không cần đặt vùng điều khiển mà chúng đặt cách xa nhiều km với nhiều mục đích khác Các thiết bị chuyển mạch đặt vị trí thích hợp mà khơng u cầu phải vùng phụ cận anten trạm mặt đất c Các dịch vụ băng rộng di động Khái niệm dịch vụ hay hệ thống băng rộng di động (MBS) nhằm mở rộng dịch vụ có sẵn mạng số tích hợp dịch vụ băng rộng (B-ISDN) cố định tới tất người sử dụng di động Các dịch vụ tương lai phát triển mạng B-ISDN phải hỗ trợ hệ thống MBS Nếu công nghệ RoF sử dụng để tạo sóng mm trạm gốc đơn giản giảm chi phí, cách làm cho triển khai quy mô lớn mạng MBS thi mặt kinh tế d Mạng cục không dây (WLAN) Khi thiết bị di động máy tính ngày trở nên mạnh mẽ, nhu cầu truy nhập băng rộng di động tới mạng WLAN tăng lên Điều dẫn đến tần số sóng mang phải cao để đáp ứng nhu cầu dung lượng Ví dụ mạng WLAN hoạt động băng tần ISM tần số 2,4GHz yêu cầu tốc độ cực đại 11Mbps sóng mang (IEEE 802.11b) Các mạng WLAN băng rộng hệ sau yêu cầu đến 54Mbps sóng mang yêu cầu tần số sóng mang cao băng tần GHz (IEEE 802.11a) Các tần số sóng mang cao dẫn đến tế bào micro, pico tất khó khăn liên quan đến phủ sóng Cách đầu tư hiệu cho vấn đề triển khai kỹ thuật RoF Trước tiên, mạng WLAN băng tần 60GHz thực truyền từ BS (trạm trung tâm), tần số dao động ổn định IF với liệu truyền qua sợi quang Sau đó, tần số dao động sử dụng để chuyển đổi liệu lên sóng mm chuyển tiếp (RS-trạm đầu xa) Điều dẫn đến đơn giản hóa đáng kể chuyển tiếp đầu xa qua đem lại hiệu thiết kế trạm gốc 1.5 Kết luận chương Chương trình bày vấn đề RoF như: khái niệm, thành phần hệ thống, ưu nhược điểm ứng dụng hệ thống: mạng tế bào, thơng tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho phương tiện giao thông,… Trong chương tìm hiểu kỹ thuật OFDM áp dụng cho hệ thống RoF CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM CHO HỆ THỐNG ROF 2.1 Giới thiệu chung Chương trình bày kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: nguyên lý bản, đặc điểm ứng dụng OFDM vào hệ thống RoF 2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) phân chia tồn băng thơng cần truyền vào nhiều sóng mang trực giao truyền đồng thời sóng mang Theo đó, luồng số tốc độ cao chia thành nhiều luồng tốc độ thấp Vì giảm ảnh hưởng trễ đa đường chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Như OFDM giải pháp cho tính chọn lọc kênh pha đinh miền tần số 10 TG thời gian bảo vệ, thời gian tiền tố chu trình Twin thời gian mở cửa tiền tố hậu tố để tạo dạng phổ f=1/TFFT phân cách tần số hai sóng mang N độ dài FFT, số điểm FFT k số ký hiệu truyền i số sóng mang con, i{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, , -N/2} xi,k vectơ điểm chùm tín hiệu, ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu, rỗng) điều chế lên sóng mang i ký hiệu OFDM thứ k w(t) hàm xung định dạng biểu diễn sau: 1  1  cos πt  TG  Twin ,  w t   1, 1  1  cos πt  TFFT  Twin , 2  Twin  TG  t  TG  TG  t  TFFT TFFT  t  TFFT  Twin (2.5) Tín hiệu đầu điều chế RF xác định sau: sRF (t )    sRF ,k (t  kT ) (2.7) k  sRF,k(t-kT) tín hiệu OFDM RF thứ k biểu diễn sau: N /2 1        t  kT Re  w  t  kT   xi ,k exp  j 2  f c    ,  T i  N /2    FFT      sRF ,k  t  kT    kT  Twin  TG  t  kT  TFFT  Twin 0,     Trong fc tần số sóng mang RF (2.8) 11 2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM Hình 2.2 - Sơ đồ truyền dẫn OFDM miền RF Tồn hai sơ đồ điều chế hệ thống vô tuyến dùng điều chế OFDM: Điều chế OFDM kỹ thuật xử lý tín hiệu số, loại điều chế tín hiệu băng tần gốc điều chế vô tuyến RF để đưa tồn phổ tần tín hiệu băng tần gốc OFDM lên vùng tần số vô tuyến RF Ở ta nghiên cứu sơ đồ điều chế OFDM miền RF a Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song ngược lại Tầng chuyển luồng bit đầu vào thành liệu phát ký hiệu OFDM Việc phân bổ liệu phát vào ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế dùng số lượng sóng mang Tại phía thu chuyển ngược luồng liệu nối tiếp ban đầu b Tầng điều chế sóng mang Tầng điều chế sóng mang thực phân bổ bit liệu người dùng lên sóng mang con, cách sử dụng sơ đồ điều chế (phần 2.4) c Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian IFFT Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng mẫu tần số Phép biến đổi IFFT chuyển tín hiệu OFDM miền tần số sang miền thời gian Tương ứng với mẫu tín hiệu OFDM miền thời gian (mỗi đầu IFFT) chứa tất mẫu miền tần số (đầu vào IFFT) Hầu hết sóng mang mang liệu Các sóng mang vùng ngồi khơng mang liệu đặt d Chèn/ loại bỏ khoảng bảo vệ 12 Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy hệ thống truyền thông, hệ thống OFDM ISI ICI  ISI (Inter-Symbol Interference): nhiễu giao thoa liên ký tự, định nghĩa xuyên nhiễu symbol khoảng thời gian Symbol Ts frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian)  ICI (Inter-Carrier Interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, định nghĩa xuyên nhiễu kênh sóng mang phụ (subchannels) frame FFT (trong miền số) Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ kĩ thuật OFDM gọi chèn tiền tố lặp CP (Cycle Prefix) Tiền tố lặp CP kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh nhiễu xuyên ký tự đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ e Tầng điều chế vơ tuyến cho tín hiệu OFDM Đầu điều chế OFDM tín hiệu băng tần sở, tín hiệu trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến RF Hầu hết ứng dụng vơ tuyến, tín hiệu OFDM tạo băng tần sở sử dụng mẫu phức, sau chuyển phổ tín hiệu băng tần sở lên phổ RF cách dùng điều chế IQ Bộ điều chế IQ dịch phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần sở phức lên vùng tần số vô tuyến RF, chuyển từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực) Tín hiệu RF phát ln tín hiệu thực biến đổi giá trị cường độ trường 2.3.3 Các thông số đặc trưng hệ thống truyền dẫn OFDM a Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.5 - Cấu trúc tín hiệu OFDM Tsym  TFFT  TG  Twin b Các thông số miền thời gian (2.14) 13 Từ hình 2.5 tách thơng số OFDM miền thời gian: chu kỳ ký hiệu Tsym , thời gian truyền hiệu hay thời gian TFFT , thời gian bảo vệ TG , thời gian cửa sổ Twin Trong mô thực TFFT chu kỳ ký hiệu chiếm đa phần thời gian Nếu khơng tính đến thời gian cửa sổ, cơng thức (2.14) trở thành: Tsym  TFFT  TG (2.17) FSR tỉ số thời gian FFT thời gian ký hiệu định nghĩa FSR  TFFT Tsym (2.18) c Các thông số miền tần số Hình 2.6 trình bày xếp OFDM miền tần số B độ rộng băng tần cho tất sóng mang con, độ rộng băng tần sóng mang f, số sóng mang N sub B  N sub  f (2.19) d Quan hệ tham số miền thời gian miền tần số Thông số miền thời gian TFFT thơng số miền tần số f có quan hệ với (chúng tỉ lệ nghịch nhau) Vì vậy, cần thiết lập giá trị cho thông số đủ để thiết kế hệ thống 2.4 OFDM mã hóa Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào dạng bit nhị phân Do đó, điều chế OFDM trình điều chế số lựa chọn yêu cầu hiệu suất sử dụng băng thơng kênh Dạng điều chế qui định số bit ngõ vào M số phức dn = an + bn ngõ Các kí tự an, bn chọn {± 1,±3} cho 16 QAM {±1} cho QPSK BPSK Mơ hình điều chế sử dụng tùy vào việc dụng hòa yêu cầu tốc độ truyền dẫn chất lượng truyền dẫn 2.4.1 Điều chế BPSK Trong hệ thống điều chế BPSK, cặp tín hiệu s1(t), s2(t) sử dụng để biểu diễn kí hiệu số hai "0" "1" Nếu chọn hàm lượng sở là:  (t )  Khi cos( 2f c t );0  t  Tb Tb S1(t )  Eb (t ) 14 S2 (t )   Eb (t ) (2.22) Ta biểu diễn BPSK khơng gian tín hiệu chiều (N=1) với hai điểm tin (M=2) : S1 = Eb , S2 = - Eb hình sau: Hình 2.7 - Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK 2.4.2 Điều chế QPSK Đây phương pháp thông dụng truyền dẫn Bốn tin ứng với vector xác định sau:    E sin[( i  ) ]  s   i1 si        E cos[(2i  1)   s i  4  (i  1,2,3,4) (2.29) Ta thấy tín hiệu QPSK mức đặc trưng vector tín hiệu hai chiều bốn tin hình vẽ Hình 2.8 - Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E , logic '0' biến đổi vào E Vì lúc phát symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng biến đổi mức nhân nhân với hai hàm trực giao tương ứng 2.4.3 Điều chế QAM Điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc), sóng mang bị điều chế biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưu điểm tăng dung lượng truyền dẫn số Dạng tổng quát điều chế QAM xác định sau: 15 Si (t )  E0 cos(2f ct )  T E0 bi sin( 2f ct ); (0  t  T ) T (2.30) Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vng góc điều chế tập hợp tin tín hiệu rời rạc Vì có tên "điều chế tín hiệu vng góc".Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm sở: Φ1(t )   Φ2 (t )  bi sin(2πf c.t ) T 0t T sin(2πf c.t ) T 0t T (2.31) Hình 2.9 - Chùm tín hiệu M-QAM 2.4.5 Mã Gray Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế vector truyền cho tất liên hợp từ liệu Mỗi liên hợp từ liệu phải phân phối vector IQ Mã Gray phương pháp cho phân phối này, cho điểm cạnh vòm khác bit đơn Mã giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit tồn giảm hội nhiều lỗi bit xảy từ lỗi symbol đơn Mã Gray sử dụng cho tất sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, 16-PSK) QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM ) Bảng 2.4 – Mã Gray Thập phân Mã Gray 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 Thập phân 10 11 12 13 14 15 Mã Gray 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 16 Hình 2.11 - Giản đồ IQ cho dạng điều chế sử dụng OFDM 2.5 Đặc điểm OFDM 2.5.1 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấn sóng mang - Bằng cách chia kênh thơng tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu giao thoa liên ký hiệu (ISI) nhiễu giao thoa liên sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khơi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang 17 - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với nhiễu xuyên kênh kết hợp 2.5.2 Nhược điểm - Ký hiệu OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hịa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang 2.6 Hệ thống OFDM cho mạng RoF Về bản, việc áp dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống RoF tương tự hệ thống vô tuyến Quá trình điều chế OFDM thực miền số sau điều chế lên sóng mang quang theo hai cách bản: có hỗ trợ khơng có hỗ trợ sóng mang RF Đối với hệ thống RoF, q trình điều chế hỗ trợ sóng mang RF thường hay sử dụng hình 2.12 Cụ thể sau: Hình 2.12 - Hệ thống RoF sử dụng OFDM 18 Dữ liệu đầu vào dạng bit nhị phân đưa qua điều chế số băng gốc (ví dụ QAM hay PSK), để tạo thành ký hiệu điều chế số Đầu điều chế số ký hiệu biểu diễn dạng phức Các ký hiệu qua biến đổi nối tiếp/ song song để chia luồng vào tốc độ cao thành luồng nhỏ với tốc độ thấp Sau đó, luồng tín hiệu song song phân bố sóng mang trước đưa đến IFFT Tại diễn hai q trình: chèn sóng mang rỗng biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Cũng IFFT này, sóng mang trực giao tạo Tín hiệu đầu biến đổi song song/ nối tiếp miền thời gian chèn khoảng bảo vệ CP Thành phần thực ảo từ hai ngõ điều chế OFDM đưa vào điều chế với sóng mang vơ tuyến RF Sau tín hiệu RF đưa vào đầu điều chế quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp điều chế Đầu điều chế quang tín hiệu OFDM điều chế sang miền quang phóng vào sợi quang Tại phía thu, q trình diễn ngược lại Đầu tiên tín hiệu quang giải điều chế quang Bộ giải điều chế quang thực chất thu quang tách sóng trực tiếp Coherrent Đối với trường hợp sử dụng kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệu OFDM phía phát dạng băng gốc mà khơng cần điều chế lên miền RF tín hiệu RF chuyển đổi trực tiếp thu quang thơng qua kỹ thuật Tín hiệu điện thu sau giải điều chế quang khuếch đại đưa qua giải điều chế vơ tuyến để đưa tín hiệu băng tần sở Tín hiệu băng tần sở giải điều chế OFDM Quá trình giải điều chế OFDM thực ngược lại so với phía phát Cuối tín hiệu đưa qua giải điều chế số để thu lại dạng bit ban đầu 2.7 Kết luận Chương trình bày chi tiết nguyên lý OFDM, sở toán học sơ đồ OFDM, chức khối sơ đồ Phần cuối chương tổng quan nguyên lý áp dụng OFDM RoF Ta thấy bản, nguyên lý kỹ thuật OFDM sử dụng hệ thống vô tuyến giống kỹ thuật OFDM sử dụng hệ thống thông tin quang Trong chương tiếp theo, ta đưa mơ hình hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM mơ mơ hình cơng cụ MATLAB - Simulink 19 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ROF SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 3.1 Giới thiệu chung Trong chương ta tìm hiểu đưa mơ hình hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM mơ mơ hình cơng cụ MATLAB – Simulink, kết thu từ mô ta đưa kết luận việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn RoF cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu 3.2 Mơ hình hệ thống ROF sử dụng OFDM Hình 3.1 - Sơ đồ truyền dẫn OFDM - RoF Mơ hình hệ thống RoF ứng dụng OFDM kênh truyền quang coi mơ hình đầy tiềm cho giải pháp truyền dẫn vô tuyến băng rộng tốc độ cao Để làm điều này, hệ thống RoF phải có khả tạo sóng vơ tuyến cho phép truyền dẫn cách đáng tin cậy qua đường truyền sợi quang 3.3 Mô hệ thống ROF sử dụng kỹ thuật ODFM Phần ta sử dụng công cụ MATLAB-Simulink để thực mô sơ đồ truyền dẫn OFDM Ở ta mơ mơ hình tương đương băng gốc (bỏ qua điều chế vô tuyến).Sau khối sử dụng hệ thống: 3.3.1 Phía phát a Bộ tạo bit nhị phân Bernoulli (Bernoulli Binary Generator) b Bộ mã hóa RS (15,11) (RS (15,11) Encoder) c Khối QPSK Mapping: d Khối Training: e Bộ điều chế băng gốc OFDM chèn tiền tố lặp (OFDM Baseband Modulator and Add Cylic Prefix) 20 f Khối Training Insertion g Bộ chuyển đổi song song / nối tiếp (P/S) h Khối Laser Diode 3.3.2 Phía thu a Khối Photodiode b Bộ chuyển đổi nối tiếp / song song (S/P) c Training Separation d Bộ giải điều chế băng gốc OFDM loại bỏ tiền tố lặp (OFDM Baseband Demodulator and Remove Cylic Prefix) e Bộ ước tính kênh (Channel Estimator): f Khối Channel Compensation g Khối Remove Zero h Khối QPSK Demapping i Bộ giải mã RS(15,11) j Bộ tính tốn BER (BER Calculation): 3.3.3 Sơ đồ mơ hệ thống OFDM sử dụng sóng mang truyền song song luồng liệu tốc độ thấp Mã Reed Solomon (15,11) dùng mã FEC cho tín hiệu băng gốc Khối điều chế QPSK khối training (tạo chuỗi tạp âm giả) dùng để cung cấp đầu vào cho việc tạo ký hiệu OFDM (khối IFFT khối chèn tiền tố lặp) Trong trình tạo ký hiệu OFDM, phát chuyển đổi liệu đầu vào từ luồng nối tiếp sang dãy song song Mỗi dãy liệu chứa ký hiệu cho sóng mang Biến đổi Fourier ngược chuyển đổi liệu từ miền tần số thành mẫu liệu miền thời gian tương ứng Sau chèn tiền tố lặp nghĩa chèn khoảng thời gian bảo vệ ký hiệu OFDM liên tiếp giúp chống lại nhiễu ISI Khối Training Insertion xác định chuỗi huấn luyện (training pattern) ký hiệu OFDM đặt chúng vị trí định sẵn ký hiệu OFDM tạo thuận lợi cho q trình huấn luyện (training) Sau khối chuyển đổi song song/nối tiếp P/S chuyển liệu song song thành luồng nối tiếp tạo tín hiệu OFDM cách tạo liên tục mẫu thời gian Tín hiệu OFDM dùng khối Laser Diode Laser diode chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu điện sang quang Tín hiệu quang truyền quang sợi quang đơn mode 21 Bộ thu thực lại với phát để tái tạo lại tín hiệu băng gốc Tại phía thu photodiode chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện Các khối ước tính kênh khối Channel Compensation dùng để mô tả đặc điểm kênh tạp âm dao động đường cơng suất từ cải thiện BER Khối tính tốn tỷ lệ lỗi đếm số bit lỗi tổng số bit đưa số BER Hình 3.19 - Sơ đồ mô hệ thống 3.4 Kết mơ a Tín hiệu OFDM phía phát thu Hình 3.20 - Tín hiệu OFDM phía phát Hình 3.21 - Tín hiệu OFDM phía thu 22 b Phổ tín hiệu OFDM phía phát thu Hình 3.22 - Phổ OFDM phía phát Hình 3.23 - Phổ OFDM phía thu c Biểu đồ chịm phía phát thu Hình 3.24 – Biểu đồ chịm phía phát Hình 3.25 – Biểu đồ chịm phía thu (sau ước tính kênh) d Tỷ lệ lỗi bit BER: Hình 3.26 - So sánh BER mơ hình có dùng mã RS khơng dùng mã RS 23 Hình 3.26 cho thấy khác biệt BER mơ hình có dùng mã RS không dùng mã RS Mã Reed Solomon (15,11) dùng mã FEC cho tín hiệu băng gốc giúp hệ thống sửa lỗi nhờ mà cải thiện BER tốt so với không dùng mã RS Độ lợi mã hóa đạt khoảng dB BER = 10-3 Hình 3.27 – So sánh BER mơ hình với hệ số sơ đồ khối Laser Đối với ảnh hưởng méo dạng phi tuyến trình điều chế trực tiếp laser khảo sát hệ số phi tuyến c d khác Hình 3.27 cho thấy đường cong BER mơ hình với hệ số điều chế khác sơ khối Laser theo cơng thức (3.1) Mức độ thiệt thịi méo phi tuyến gây khoảng 0,8 dB trường hợp có méo bậc dB trường hợp có méo bậc méo bậc BER = 10-5 3.5 Kết luận chương Nội dung chương tiến hành thực mô hệ thống truyền dẫn RoF sử dụng kỹ thuật OFDM Với hỗ trợ phần mềm MATLAB - Simulink, ta đưa kết tính tốn BER cho hệ thống RoF-OFDM, kết cho thấy khác biệt BER mơ hình có dùng mã RS khơng dùng mã RS, tính tốn BER sơ đồ Laser với hệ số phi tuyến 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong khuôn khổ đồ án, nội dung trình bày bao gồm: lý thuyết truyền dẫn RoF, kỹ thuật OFDM cụ thể hóa lý thuyết mơ hình mơ ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn RoF Chương I trình bày cách tổng quan truyền dẫn RoF với đặc điểm khả ứng dụng RoF vào mạng viễn thông như: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho phương tiện giao thông Chương II lý thuyết kỹ thuật OFDM Nguyên lý, sở tốn học kỹ thuật OFDM trình bày rõ ràng Bên cạnh đó, sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM phân tích kỹ Cuối chương trình bày cách tổng quan phương thức áp dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống RoF Chương III ta tiến hành mô để kiểm nghiệm lại lý thuyết OFDM áp dụng cho truyền dẫn RoF Với hỗ trợ phần mềm Mathlab - Simulink, ta đưa kết tính tốn BER cho hệ thống RoF-OFDM, kết cho thấy khác biệt BER mơ hình có dùng mã RS khơng dùng mã RS, tính tốn BER sơ đồ Laser với hệ số phi tuyến Như vậy, luận văn đạt thành cơng định: kết đề tài ứng dụng cho việc thiết kế hệ thống RoF mạng không dây hệ tài liệu tham khảo cho kỹ sư viễn thông sinh viên nghiên cứu Tuy nhiên, luận văn hạn chế cần ý kiến góp ý q báu Thầy Cơ để hoàn thiện Kiến nghị hướng phát triển đề tài: - Xây dựng mơ hình mơ chi tiết với điều chế RF kênh sợi quang - Sử dụng dạng điều chế số khác để kết mơ xác ... học sơ đồ OFDM, chức khối sơ đồ Phần cuối chương tổng quan nguyên lý áp dụng OFDM RoF Ta thấy bản, nguyên lý kỹ thuật OFDM sử dụng hệ thống vô tuyến giống kỹ thuật OFDM sử dụng hệ thống thông... hình hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM mơ mơ hình cơng cụ MATLAB - Simulink 19 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ROF SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 3.1 Giới thiệu chung Trong chương ta tìm hiểu đưa mơ hình hệ. .. truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber) Chương nghiên cứu kỹ thuật OFDM cho hệ thống RoF Chương mô hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM, đánh giá kết thu từ mô Do hạn chế thời gian kiến