3.5.1. Giới thiệu sợi quang
Sợi dẫn quang là thành phần cơ bản để tạo nên kênh truyền quang. Đây là mơi trường để truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Đây là mơi trường truyền dẫn lý tưởng cho các hệ thống truyền thơng hiện đại do băng thơng rất lớn, bảo mật cao, gọn nhẹ… Tuy nhiên, cũng như các mơi trường truyền dẫn khác, sợi quang cũng cĩ những hiệu ứng truyền dẫn tác động vào tín hiệu quang làm tốc độ, khoảng cách và chất lượng của hệ thống.
Sợi quang cĩ cấu trúc như một ống dẫn sĩng hoạt động ở dãy tần số quang, nĩ cĩ hình trụ và cĩ chức năng dẫn sĩng ánh sáng truyền song song với trục của nĩ. Về cơ bản cấu trúc sợi quang bao gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh cĩ chiết suất n1, và bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và cĩ chiết suất n2 > n1. Lớp vỏ phản xạ là mơi trường tạo ra ranh giới với lõi và ngăn sự khúc xạ ánh sáng ra ngồi, tham gia bảo vệ lõi và gia cường độ bền của sợi.
Hình 3.14 Cấu trúc sợi quang
Ta cĩ thể phân loại cáp sợi quang theo nhiều gĩc cạnh khác nhau. Phân loại theo dạng chiết suất của lõi ta cĩ:
- Sợi quang cĩ chiết suất nhảy bậc SI. - Sợi quang cĩ chiết suất giảm dần GI. - Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc.
- Sợi quang dịch tán sắc DSF(Dispersion- Shifted Fiber)
- Sợi quang san bằng tán sắc DFF (Dispersion – Flatened Fiber)
Hình 3.15 Các loại sợi quang phân loại theo chiết suất của lõi
n1 a2 0 a2 r r a1 a1 n2 n(r) a2 a2 0 r a1 a1 a3 a4 a3 r a4 n(r) a2 0 a2 r r a1 a1 a3 a3 n(r)
Phân loại theo số mode truyền thơng sợi quang cĩ sợi đơn mode và sợi đa mode. Phân loại theo vật liệu chế tạo cĩ sợi thủy tinh, sợi plastic, sợi PCS.
3.5.2. Suy hao sợi quang
Suy hao trong sợi quang đĩng vai trị rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Cơng suất liên hệ giữa cơng thức ngõ ra và cơng suất ngõ vào như sau: [4]
Pout = Pine-αL
Với: Pout là cơng suất ngõ ra ở độ dài L Pin là cơng suất ngõ vào
α là hệ số suy hao trung bình của sơi quang(dB/km) L là độ dài sợi quang (Km)
Cĩ nhiều nguyên nhân gây ra suy hao trong sợi quang do cả bản chất của sợi quang và ngồi bản chất sợi quang. Trên một tuyến thơng tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang, giữa sợi quang với với các thiết bị xen rẽ là những suy hao ngồi bản chất sợi quang. Cịn những suy hao do hấp thụ cĩ liên quan đến vật liệu sợi (hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu, hấp thụ điện); suy hao do tán xạ cĩ liên quan đến cả vật liệu sợi và tính khơng hồn hảo về cấu trúc sợi.; suy hao bức xạ do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra là những suy hao do bản chất của sợi quang.
Hình 3.16 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sĩng quang.
Hình 3.16 cho ta thấy sự phụ thuộc của suy hao vào bước sĩng. Hai vùng bước sĩng cĩ hệ số suy hao nhỏ nhất là 1300nm và 1550m. Đặc biệt tại cửa sổ bước sĩng 1550 nm cĩ hệ số suy hao gần 0,2dB/Km . Do đĩ trong các cơng nghệ chế tạo sợi quang hiện nay điều thiết kế sợi quang hoạt động trong 2 cửa sổ bước sĩng này.
3.5.3. Tán sắc trong sợi quang đơn mode
Tán sắc là hiện tượng khi một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi quang lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi.
Hình 3.17 Tán sắc trong sợi quang Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang:
2 2
o i
D
(3.16)
Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ quang là 1nm thì Dt thường cĩ đơn vị là ps/nm.km
Các loại tán sắc cơ bản trong sợi quang là tán sắc mode(modal dispersion) và tán sắc sắc thể (chromatical dispersion). Trong đĩ tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode cịn tán sắc sắc thể xảy ra ở cả sợi đơn mode và đa mode. Hiện nay các hệ thống truyền thơng quang đường dài đều sử dụng sợi đơn mode SMF nên chúng ta chỉ cần quan tâm đến tán sắc sắc thể.
Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sĩng. Trong đĩ tán sắc vật liệu là hàm của bước sĩng và do sự thay đổi về chỉ số chiết suất của vật liệu lõi tạo nên. Nĩ làm cho bước sĩng luơn phụ thuộc vào vận tốc nhĩm của bấy kỳ mode nào. Tán sắc dẫn sĩng là do sợi đơn mode chỉ giữ lại khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, vì vậy cịn 20% ánh sáng truyền trong vỏ nhanh hơn năng lượng ở trong lõi. Những loại tán sắc này làm cho xung tín hiệu rộng ra gây nên nhiễu ISI và tỷ lệ bit truyền hiệu quả bị hạn chế.
Ta khảo sát một quang phổ cụ thể cĩ tần số ω được truyền từ đầu đến cuối của một sợi cĩ chiều dài L sau một thời gian trễ τg, ta cĩ: [4]
∆ τg =LD ∆ω (3.17) Với D =- 2ᴨc λ2 d2β dω2 = -2ᴨcβ2 λ2 Là tham số tán sắc cĩ đơn vị ps/nm.km. β2 = d 2β
dω2 Gọi là tham số tán sắc vận tốc nhĩm (GVD). Tham số này nhằm xác định xung quang cĩ thể giãn ra bao nhiêu khi truyền qua sợi quang.
Tán sắc sắc thể CD chính là tổng các tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sĩng, được diễn tả [4]tr.40:
Độ trải rộng xung do tán sắc ống dẫn sĩng Dwg(λ) và tán sắc vật liệu Dmat(λ) là hàm theo bước sĩng như mơ tả trên Hình 3.18 [4] tr.42.
Tại bước sĩng λZ tương ứng với D chr = 0 được gọi là tán sắc zero (zero dispersion). Giá trị tán sắc zero cĩ thể thay đổi sao cho dịch tới càng gần cửa sổ quang đang sử dụng càng tốt. Người ta cĩ thể thay đổi DWg bằng cách thay đổi bán kính của lõi tương ứng để dịch chuyển λZ tới gần 1550nm, sợi DSF được chế tạo theo nguyên tắc này.
Khi xem xét các loại tán sắc kể cả tán sắc mode thì tán sắc tổng cộng bao gồm tán sắc sắc thể và tán sắc mode[1]:
Dt = D2mode + D2chr (3.19)
Hình 3.18 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sĩng. 3.5.4. Các hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang cĩ thể được chia làm hai loại. Một là các hiệu ứng do tán xạ phi tuyến (tán xạ kích thích Brillouin SBS và tán xạ kích thích Raman SRS) và loại cịn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bước sĩng FWM) [9] tr.19 do sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ
vào cơng suất phĩng vào sợi quang. Các loại tán xạ kích thích gây ảnh hưởng đến độ lợi hay độ suy hao của tín hiệu quang, cịn các loại hiệu ứng Kerr gây ảnh hưởng đến sự dịch pha của tín hiệu quang sau khi truyền qua sợi quang đĩ [9] tr.20. Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức cơng suất ngưỡng nhất định nào đĩ, khi cơng suất vào sợi quang lớn hơn mức cơng suất ngưỡng này thì các hiệu ứng tán xạ kích thích mới gây ảnh hưởng đến tín hiệu truyền. Cịn các hiệu ứng Kerr khơng cĩ ngưỡng cơng suất như vậy [9] tr.21. Hình 3.17 là sự phân loại các hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang [5] tr.98.
Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến cơng suất phĩng vào sợi quang. Cĩ thể bỏ qua các hiệu ứng này đối với các hệ thống hoạt động với cơng suất vừa phải (vài mW) với tốc độ vừa phải (khoảng dưới 2.5 Gb/s). Tuy nhiên, với hệ thống cĩ mức cơng suất hoạt động lớn, tốc độ bit cao thì việc xem xét các hiệu ứng phi tuyến tác động lên tín hiệu quang là quan trọng [9] tr 23.
4.1. MƠ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM
Mơ hình tổng quát hệ thống CO-OFDM, cũng như các hệ thống truyền thơng cổ điển khác, bao gồm ba khối cơ bản: (1) bộ phát, (2) kênh truyền và (3) bộ thu được mơ hình hĩa như Hình 4.1.
Hình 4.1 Mơ hình mơ phỏng hệ thống CO-OFDM
Bộ phát nhằm tạo ra tín hiệu OFDM trong miền điện và chuyển tín hiệu OFDM trong miền điện thành tín hiệu OFDM trong miền quang để đưa vào sợi quang. Kênh truyền quang truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Và khối cuối cùng là bộ nhận nhằm chuyển tín hiệu OFDM ở miền quang trở về lại tín hiệu OFDM ở miền điện. Sau đĩ được giải điều chế OFDM trả lại dữ liệu ban đầu.
4.1.1. Bộ phát
Bộ phát cĩ nhiệm vụ biến đổi thơng tin dữ liệu đầu vào thành tín hiệu điện sau đĩ chuyển đổi tín hiệu này từ miền điện sang miền quang để đưa vào sợi quang. Ta cĩ mơ hình mơ phỏng bộ phát được xây dựng như hình 4.2.
Hình 4.2: Mơ hình bộ phát quang
Nhìn vào mơ hình trên ta thấy cĩ 2 thành phần cơ bản: thành phần thứ nhất là khối OFDM, khối này cĩ nhiệm vụ tạo ra tín hiệu OFDM trong miền điện. Thành phần thứ hai là bộ điều chế ngồi Mach –Zehnder để điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang tương ứng để đưa vào sợi quang.
Các thơng số thiết kế của khối OFDM:
- Bộ tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli binary với xác suất bit 0 là 0.5, tần số lấy mẫu là 10*10^-12s.
Hình 4.4 Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli
- Bộ điều chế ánh xạ chịm sao (IQ mapper) sử dụng phương pháp điều chế 16QAM 4R đã được thiết kế.
Hình 4.5 Khối điều chế 16QAM 4R Các điểm tín hiệu trong khối điều chế 16QAM 4R:
[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]
- Khối điều chế tín hiệu OFDM được thiết kế là bộ điều chế OFDM 256 điểm . Trong đĩ bao gồm 200 data, 4 số zero đầu, 4 số zero cuối, 48 số zero ở giữa kênh. Như vậy trước khi vào bộ IFFT một symbol OFDM cĩ 256 mẫu rời rạc. Để tránh nhiễu ISI hệ thống cịn thêm một khoảng bảo vệ cĩ chiều dài bằng ¼ chiều dài symbol OFDM. Như vậy một symbol OFDM sẽ cĩ 320 mẫu.
Hình 4.6 Khối thêm khoảng bảo vệ CP
Bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM
Tín hiệu OFDM sau khi đã được điều chế trong miền điện sẽ được đưa vào bộ điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang và được truyền đi trong sợi quang. Bộ điều chế ngồi MZM hoạt động ở chế độ phân cực đơi sẽ làm nhiệm vụ điều chế 2 thành phần I/Q của tín hiệu OFDM thành tín hiệu quang. Tín hiệu ngõ ra của bộ điều chế quang MZM bằng tổng tín hiệu ở hai nhánh được dịch pha theo tín hiệu ngõ vào.
Hình 4.7 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM
Hình 4.8 Bộ điều chế pha – phase modulator
4.1.2. Mơ phỏng kênh truyền sợi quang
Các tham số kênh truyền
Kênh truyền sợi quang bao gồm nhiều chặng (span) được ghép nối với nhau, mỗi một chặng bao gồm sợi quang đơn mode chuẩn SFM cĩ chiều dài là 80 km, với mỗi sợi quang SMF ta cĩ thêm 1 bộ khuếch đại quang sợi EDFA để bù suy hao do sợi quang gây ra (suy hao tín hiệu = 0.2x80 = 16 dB được bù hồn tồn với bộ EDFA với độ lợi G = 16 dB). Mơ hình xây dựng để mơ phỏng kênh truyền quang như Hình 4.10.
Hình 4.10 Mơ hình truyền dẫn sợi quang
. Mơ hình sợi quang được xây dựng như Hình 4.11. Đây là kết quả của việc giải phương trình sĩng ánh sáng truyền trong sợi quang.
Các thơng số mơ phỏng kênh truyền sợi quang.
Dz=0.1km, SMFlegth= 80km
DSMF = 4ps/nm.km
Pthreshold= 10mW
Hình 4.11 Mơ hình hĩa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink
Mơ hình hĩa bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Tín hiệu quang bị suy hao sau đĩ sẽ được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại EDFA.. Tuy nhiên trong mỗi bộ khuếch đại này luơn kèm theo một thành nhiễu ASE cĩ thể xem cĩ dạng giống nhiễu Gaussian. Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang kèm theo việc nhiễu sinh ra trong quá trình khuếch đại, gây ra tác động nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Đây là một trong những nguyên nhân khiến khơng thể sử dụng các bộ điều chế nhiều mức cho hệ thống thơng tin quang đường dài. Bộ khuếch đại EDFA được mơ hình hĩa sử dụng Simulink như Hình 4.12.
4.1.3. Bộ thu quang coherrent
Bộ thu quang coherrent bao gồm hai thành phần cơ bản: (1) bộ tách sĩng quang kết hợp (coherent optical detector) và (2) bộ xử lý tín hiệu OFDM ở miền điện. Bộ tách sĩng quang kết hợp cĩ nhiệm vụ tách tín hiệu quang thu được thành hai thành phần tương ứng I/Q, sau đĩ chuyển đổi hai thành phần này thành tín hiệu điện. Bộ xử lý tín hiệu OFDM ở phía thu này cĩ nhiệm vụ giải điều chế tín hiệu OFDM sau đĩ cân bằng tín hiệu trước khi đưa vào bộ giải điều chế để khơi phục tín hiệu như ban đầu. Hình 4.14 mơ tả cấu trúc bộ thu quang được xây dựng trong mơ phỏng.
Hình 4.14 Mơ hình bộ thu – Receiver coherrent RX
Bộ chuyển đổi quang-điện
Mơ hình bộ chuyển đổi quang-điện Optical Coherent Receiver được xây dựng như Hình 4.15. Trong đĩ, bộ dao động nội LO đĩng vai trị tạo ra tần số dao động nội bằng với tần số Lazer bên phát. Phương pháp tách sĩng được sử dụng là phương pháp tách sĩng tích hợp.
bằng sử dụng 2 photo-detector sẽ làm tăng độ lợi 3 dB so với tách sĩng chỉ dùng 1 photo-detector [1].
Hình 4.15 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver
Hình 4.16 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver
Mơ hình giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF
Sau khi đã tách ra được hai thành phần I/Q ở miền điện từ sĩng mang quang tới nhờ các photo-diode, tín hiệu phức nhận được sẽ được chuyển về dạng số tương ứng nhờ bộ lọc cosine ở phía thu. Sau đĩ, tín hiệu số được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song nhờ bộ buffer và mỗi symbol được buffer sẽ bao gồm 320 mẫu rời rạc. Từng
symbol như vậy sẽ được đưa vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ở miền điện. Hình 4.17 mơ tả bộ xử lý tín hiệu OFDM ở phía thu.
Hình 4.17 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx
Tín hiệu sau khi qua bộ buffer sẽ được giải điều chế OFDM. Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM được mơ phỏng như Hình 4.18. Từng symbol 320 mẫu rời rạc sẽ được loại bỏ khoảng bảo vệ nhờ bộ remove cyclic prefix (RCP), symbol sau khi qua bộ RCP sẽ cịn 256 mẫu và được đưa vào bộ biến đổi FFT. Ngõ ra bộ FFT chính là 256 điểm rời rạc trong miền tần số. Thực hiện thuật tốn cân bằng kênh tín hiệu tại ngõ ra trên dựa vào những đặc điểm về ảnh hưởng của kênh truyền đối với hệ thống. Cuối cùng, các giá trị này được giải điều chế ánh xạ chịm sao nhờ bộ IQ demapper, trả về dữ liệu tương ứng với bên phát. Hình 4.20 là chịm sao của bên phát và bên thu tương ứng.
Hình 4.19 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM
Hình 4.20 Giản đồ chịm sao tương ứng với phía phát và phía thu 4.2. Kết quả mơ phỏng
Chương này trình bày các kết quả khảo sát việc ứng dụng bộ điều chế và giải