Nghiên cứu hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật ofdm toàn quang (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - Đào Đức Quang Minh NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TOÀN QUANG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2018 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn San Phản biện 1: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 2: TS Dư Đình Viên Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 08 30 phút, ngày 14 tháng 07 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng PHẦN MỞ ĐẦU Xã hội ngày phụ thuộc nhiều vào việc trao đổi thông tin nhanh đáng tin cậy Khả truyền liệu tốc độ siêu cao (lên tới Tbps) trở thành yêu cầu cấp thiết hệ thống thông tin quang để đáp ứng dịch vụ ứng dụng truyền thông đa phương tiện, Internet vạn vật (Internet of Things, IoT), điện toán đám mây… Các hệ thống truyền thơng quang đơn sóng mang cần tốc độ baud cao và/hoặc sử dụng kỹ thuật điều chế mức cao 512-QAM, 1024-QAM để đạt tốc độ truyền Tbps [5] Cách khác sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao quang (Optical – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, O-OFDM) với nhóm sóng mang tạo nên “siêu kênh” đem lại khả cải thiện dung lượng kênh truyền Tuy nhiên, kỹ thuật O-OFDM tồn số nhược điểm cần tới xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing, DSP) phức tạp giới hạn tốc độ chuyển đổi số - tương tự (Digital to Analog converter, DAC Analog to Digital converter, ADC) Trong hệ thống O-OFDM, việc xử lý IFFT FFT thực miền điện dẫn tới tốc độ truyền tải bị giới hạn mức Gbps [7] Kỹ thuật OFDM toàn quang (All Optical – Orthogonal Frequency Division Multiplexing, AO-OFDM) khắc phục nhược điểm cách thực xử lý tín hiệu (IFFT FFT) miền quang Các thử nghiệm cho thấy hệ thống AO-OFDM đạt tốc độ 10 Tbps với hiệu sử dụng phổ đạt bit/s/Hz [15] Xuất phát từ kết nghiên cứu thực tế trên, với kiến thức tích lũy Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng hướng dẫn giảng viên hướng dẫn PGS.TS Vũ Văn San thầy giáo giảng dạy – TS Nguyễn Đức Nhân, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thơng tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM tồn quang” để thực luận văn tốt nghiệp 2 Luận văn gồm nội dung tổ chức sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống công nghệ thông tin sợi quang Chương 2: Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM Chương 3: Mơ hình hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật AOOFDM CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỢI QUANG Mở đầu 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin quang 1.1.2 Các thành phần hệ thống thơng tin quang điển hình 1.1.3 Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang 1.1.3.1 Suy hao 1.1.3.2 Tán sắc 1.1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến 1.1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang 1.2 Xu hƣớng phát triển truyền thông quang 1.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 1.3.1 Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 1.3.2 Tính trực giao tín hiệu OFDM 1.3.3 Mơ hình hệ thống OFDM Kết luận chƣơng CHƢƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM Mở đầu 2.1 Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM 2.1.1 Tổng quan hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM Hình 2.1 mơ tả sơ đồ khối hệ thống thông tin quang O-OFDM điển hình Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống O-OFDM điển hình (Nguồn: [7]) 2.1.2 Hệ thống O-OFDM sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ tách sóng trực tiếp 2.1.3 Hệ thống O-OFDM sử dụng kỹ thuật điều biến trường tách sóng coherent 2.2 Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM toàn quang 2.2.1 Các mạch phát hệ thống AO-OFDM sử dụng mạch OIFT Hiện nay, có nhiều loại mạch OIFT đề xuất hệ thống AOOFDM Một số mạch phát sử dụng mạch biến đổi Fourier rời rạc ngược quang (OIDFT), sử dụng dịch pha quang, trễ, các coupler để tạo tín hiệu OFDM quang Một số mạch OIDFT/ODFT khác sử dụng cách tử cách tử ống dẫn sóng AWG Trong đó, số sơ đồ mạch phát AO-OFDM lại sử dụng mạch OIFT dựa thấu kính thời gian (time lens) [7] 5 2.2.1.1 Mạch OIFT/OFT sử dụng dịch quang, trễ coupler Mạch OIDFT/OIFT xây dựng dựa việc kết hợp coupler quang, trễ dịch pha đề xuất sử dụng [12] Hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống AO-OFDM sử dụng mạch OIDFT/ODFT (Nguồn: [12]) 2.2.1.2 Mạch OIFT/OFT sử dụng cách tử ống dẫn sóng AWG Hình 2.7 Mạch phát AO-OFDM sử dụng cách tử AWG để triển khai OIFT (nguồn: [7]) 2.2.1.3 Mạch OIFT/OFT sử dụng thấu kính thời gian Hình 2.8 Chuyển đổi Fourier tồn quang sử dụng thấu kính thời gian (Nguồn: [7]) 2.2.2 Các mạch phát hệ thống AO-OFDM sử dụng nguồn đa sóng mang quang Các mạch phát AO-OFDM sử dụng mạch OIFT thường yêu cầu phần tử quang phức tạp cần yêu cầu hoạt động nhạy cảm pha thay thể mạch đơn giản bao gồm phần tử nguồn đa sóng mang quang OFCG, điều chế quang ghép kênh Sơ đồ khối mạch phát OFDM toàn quang sử dụng nguồn OFCG thể Hình 2.10 7 Hình 2.10 Mạch phát AO-OFDM sử dụng OFCG (Nguồn: [7]) 2.2.2.1 Mạch OFCG sử dụng nguồn laser khóa mode Hình 2.11 Mạch phát AO-OFDM sử dụng OFCG laser khóa mode (Nguồn: [7]) Hình 2.12 Phổ đầu laser khóa mode (Nguồn: [7]) 2.2.2.2 Mạch OFCG sử dụng điều chế cường độ điều chế pha 2.2.3 Các mạch thu hệ thống AO-OFDM Tương tự với việc triển khai OIFFT, OFFT triển khai coupler quang, dịch pha, trễ thời gian cổng lấy mẫu quang sử dụng cách tử ống dẫn sóng AWG trình bày từ phần 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ thống AO-OFDM 2.2.4.1 Suy hao tán sắc 2.4.1.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM điều chế pha chéo XPM 2.4.1.3 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 2.4.1.4 Nhiễu ASE 2.4.1.5 Xem xét ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến nhiễu ASE lên hệ thống AO-OFDM Kết luận chƣơng CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT AO-OFDM Mở đầu 3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM tồn quang 3.1.1 Kiến trúc mơ hình hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật AOOFDM 3.1.1.1 Mạch phát Hình 3.1 Mạch phát hệ thống truyền dẫn AO-OFDM 10 3.1.1.2 Mạch thu Hình 3.2 Mạch thu hệ thống AO-OFDM 11 3.1.2 Xây dựng mơ hình mơ hệ thống 3.1.2.1 Mạch phát Hình 3.3 Mạch phát mơ hình mơ 12 Hình 3.4 Bộ điều chế quang DPSK 13 Hình 3.5 Phổ tín hiệu đầu mạch OFCG Hình 3.6 Phổ tín hiệu đầu điều chế pha 14 Hình 3.9 Các sóng mang đầu lọc quang miền thời gian 3.1.2.2 Mạch thu Hình 3.11 Mạch thu mơ hình mơ Hình 3.12 Bộ giải điều chế quang DPSK 15 3.2 Khảo sát, đánh giá mơ hình hệ thống 3.2.1 Khảo sát hiệu BER theo công suất thu Đối với hệ thống thông tin quang số, tiêu chuẩn chung BER phải nhỏ 109 , nhiên, với hệ thống sử dụng kỹ thuật sửa lỗi trước FEC, BER đạt mức 102 chấp nhận Hệ thống bắt đầu đạt giá trị BER khoảng 102 công suất thu đạt khoảng -17.5 dBm mức suy hao tuyến truyền khoảng 17dB 3.2.2 Khảo sát hiệu BER theo khoảng cách truyền dẫn Hình 3.15 Khảo sát giá trị BER theo số vòng lặp Hệ thống khảo sát hai trường hợp truyền dẫn khác nhau: trường hợp sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn SMF sợi dịch tán sắc DSF Khi tăng số vòng lặp, hiệu hệ thống giảm (tỷ lệ BER tăng) với hai trường hợp Nhiễu tích lũy làm suy giảm chất lượng tín hiệu số vòng lặp tăng số khuếch đại EDFA sử dụng nhiều Khi giảm tán sắc sợi (trường hợp sử dụng sợi DSF), dịch pha sóng mang dẫn đến dễ phối hợp pha kênh truyền khiến ảnh hưởng hiệu ứng FWM tăng lên Do đó, tỷ lệ BER trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh so với sử dụng sợi SMF 16 3.2.3 Khảo sát hiệu BER theo cơng suất phát Hình 3.18 Khảo sát giá trị BER theo công suất phát Đặt máy đo tăng dần cơng suất tín hiệu trước vào sợi quang (công suất phát) thấy hiệu hệ thống tăng (tỷ lệ BER giảm) lúc ảnh hưởng thành phần nhiễu tuyến tính chiếm ưu thế, sau đó, hiệu hệ thống giảm dần (tỷ lệ BER tăng) ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến chiếm ưu tăng dần theo mức cơng suất phát Do có kênh truyền nên hệ thống chịu ảnh hưởng chủ yếu hai tượng phi tuyến XPM FWM Khi sử dụng sợi dịch tác sắc DSF với hệ số tán sắc giảm, ảnh hưởng hiệu ứng XPM bị giảm chuyển đổi PM-IM giảm, thay vào ảnh hưởng FWM tăng cường Như phân tích từ phần trước, ảnh hưởng méo pha phi tuyến FWM gây lớn nhiều so với trường hợp SPM XPM nên BER trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh so với trường hợp sử dụng sợi SMF tương tự phần phân tích theo khoảng cách tuyến truyền 17 Hình 3.19 Khảo sát giá trị BER theo khoảng cách kênh Khi thu hẹp khoảng cách kênh (chỉ xét tổng quát trường hợp sử dụng sợi SMF DCF) xuống 15 GHz, khả phối hợp pha kênh tốt làm ảnh hưởng hiệu ứng FWM tăng lên dẫn đến hệ thống bị suy giảm hiệu nhanh chóng 3.2.4 Khảo sát hiệu BER theo độ dung sai tán sắc sợi truyền dẫn Hình 3.21 Khảo sát BER theo dung sai tán sắc sợi truyền dẫn 18 Khi mức dung sai tán sắc truyền dẫn tăng, hiệu hệ thống giảm với hai trường hợp truyền dẫn Khi giảm hệ số tán sắc (sử dụng sợi DSF), dịch pha sóng mang dẫn đến phối hợp pha kênh truyền dễ thỏa mãn khiến ảnh hưởng hiệu ứng FWM tăng cường Do đó, tỷ lệ BER trường hợp sử dụng sợi DSF tăng nhanh so với sử dụng sợi SMF Dù đặt mức phát đủ thấp (0 dBm) có ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến quang nên hiệu hệ thống trường hợp sử dụng sợi DSF trường hợp SMF Kết luận chƣơng 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM tồn quang hướng cịn Việt Nam Trong hệ thống thông tin quang ghép kênh, AO-OFDM hệ thống có khả truyền tải lượng thông tin lớn với tốc độ truyền lên tới Tbps sợi quang Tuy nhiên, hiệu hệ thống AO-OFDM bị ảnh hưởng yếu tố quan trọng truyền dẫn quang nhiễu pha Nhiễu pha gây hiệu ứng quang sợi nhiễu ASE khuếch đại EDFA sử dụng tuyến truyền dẫn Luận văn xem xét yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống AO-OFDM quang sử dụng thành phần bao gồm tạo phổ lược OFCG mạch phát cách tử ống dẫn sóng AWGN mạch thu Mạch phát AO-OFDM sử dụng OFCG có khả tạo sóng mang với pha khoảng cách tần số khơng đổi, cơng nhận việc đơn giản hóa mạch phát, đặc biệt trường hợp cần số lượng lớn sóng mang Bằng cách sử dụng phần mềm mô Optisystem v7.0 để tính tốn giá trị hiệu BER hệ thống mơ hình, luận văn làm rõ ảnh hưởng hiệu ứng sợi quang nhiễu phát xạ tự phát lên hiệu hệ thống, đồng thời thay đổi hiệu hệ thống thông qua việc thay đổi tham số mơ hình khảo sát Với khả nâng tốc độ truyền dẫn lên đến hàng Tbps, hệ thống AO-OFDM hứa hẹn trở thành hệ thống truyền dẫn quang tương lai Tuy nhiên, suy giảm chất lượng tín hiệu gây đặc tính hiệu ứng sợi quang khuếch đại EDFA mối quan tâm hàng đầu hệ thống truyền dẫn thông tin quang tốc độ cao nói chung hệ thống AOOFDM nói riêng Trong đó, ảnh hưởng tán sắc hiệu ứng phi tuyến sợi xem hiệu ứng ảnh hưởng quan trọng điều kiện truyền dẫn khác Bên cạnh đó, chất lượng tín hiệu suy giảm nhiễu tích lũy ASE gây khuếch đại EDFA Từ phân tích có 20 thơng qua kết mơ đưa kết luận hiệu hệ thống AO-OFDM ảnh hưởng hiệu ứng bao gồm tán sắc, nhiễu phi tuyến nhiễu ASE tạo tiền đề đưa giải pháp để hạn chế tối đa ảnh hương Kiến nghị nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu thêm ảnh hưởng hiệu ứng số hệ thống AO-OFDM sử dụng mạch phát, thu quang khác đề xuất giải pháp để cải thiện hiệu hệ thống  ... hiệu OFDM 1.3.3 Mơ hình hệ thống OFDM Kết luận chƣơng CHƢƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM Mở đầu 2.1 Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM 2.1.1 Tổng quan hệ thống. .. Chương 2: Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM Chương 3: Mô hình hệ thống thơng tin quang ứng dụng kỹ thuật AOOFDM CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỢI QUANG Mở... DỤNG KỸ THUẬT AO -OFDM Mở đầu 3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin quang ứng dụng kỹ thuật OFDM toàn quang 3.1.1 Kiến trúc mơ hình hệ thống thơng tin quang ứng dụng kỹ thuật AOOFDM 3.1.1.1 Mạch