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 cĩ tốc độ thấp do đĩ giảm ảnh hưởng của fading đã đường, làm cho mỗi băng con được xem như một kênh fading phẳng. Ngồi ra việc các băng tần cĩ 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 sĩng mang con fn(t),n =0,1,…N-1 t1<t<t2. Tập sĩng mang con này sẽ trực giao khi[5]:
Tập các sĩng mang con được truyền cĩ thể viết là:
Từ (3.3) ta thấy, nếu như các sĩng 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 sĩng mang con cĩ 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 cịn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng tầng
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 cĩ chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mơ hình điều chế số, N là số sĩng mang. k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song cĩ tốc độ đủ thấp, để băng thơng sĩng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thơng đĩ cĩ 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 sĩng mang, trong đĩ dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sĩng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sĩng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên khơng hiệu quả, nhiều khi là khơng thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế tồn bộ các bộ tạo dao động sĩng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật tốn 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 thơng, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI.
Nhiễu ICI được loại bỏ hồn tồn nhờ sử dụng các sĩng mang trực giao [2]. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hồn tồn nếu ta sử dụng số lượng sĩng mang N đủ lớn, khi đĩ băng thơng của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức là độ rộng của một symbol cĩ ích ts sẽ lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu. Bộ Guard interval Insertion (Hình 3.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol cĩ ích ts mà vẫn giữa nguyên số sĩng mang. Bộ Guard Interval Insertion sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ gồm q mẫu vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol tổng cộng sẽ là: TS = TG + tcp (3.4)
Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM 3.2.4. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM
Ưu điểm:
- OFDM sử dụng dãy tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sĩng mang con. Ngồi ra, việc sử dụng những sĩng mang con trực giao này cịn giúp loại bỏ hồn tồn nhiễu liên sĩng mang ICI.
Dải bảo vệ ( CP)
Phần hữu ích của tín hiệu
Tcp
T
- Hệ thống sử dụng bộ FFT và IFFT giúp giảm bộ giao động cũng như số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí thực hiện.
Nhược điểm:
- Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình lớn (PAPR) [7]. Điều này gây khĩ khăn cho tính tuyến tính của mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC.
- Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu ISI nhưng lại giảm đi hiệu suất băng thơng.
- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sĩng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.[25]
3.3. Bộ phát quang
Bộ phát quang cĩ vai trị nhận tín hiệu điện được đưa đến, chuyển đổi tín hiệu đĩ thành tín hiệu quang. Hay nĩi cách khác, bộ phát quang cĩ chức năng chuyển tín hiệu từ miền điện sang miền quang, và đưa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang). Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherrent được mơ tả như hình 3.6
3.3.1. Nguồn phát quang
Loại nguồn quang được sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn. Để cĩ thể được sử dụng trong thơng tin quang, các chất bán dẫn cần phải cĩ dải cấm năng lượng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho cĩ thể tạo ra ánh sáng cĩ bước sĩng nằm trong vùng bước sĩng hoạt động của thơng tin quang.
Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:
Cĩ kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để cĩ thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao.
Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính.
Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.
Phát ra ánh sáng cĩ bước sĩng phù hợp với vùng bước sĩng mà sợi quang cĩ suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sĩng này.
Ánh sáng do nguồn quang phát ra khơng phải chỉ tồn tại ở một bước sĩng nhất định mà tại một khoảng bước sĩng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền. Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt. Thơng thường Diot phát quang LED sẽ cĩ độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhưng giá lại rẻ hơn. Trong các hệ thống truyền thơng tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ưu. Nguồn quang được sử dụng trong mơ phỏng của đề tài là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers).
chọn lọc tần số (hay bước sĩng) ánh sáng. Theo đĩ, chỉ những sĩng ánh sáng cĩ tần số (hay bước sĩng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới cĩ thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được [4] tr.78.
Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng (a)Hấp thụ (b)phát xạ tự phát (c) phát xạ kích thích
Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên Hình 3.8 Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sĩng ánh sáng phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng cĩ thể xảy ra là bước sĩng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100:
Trong đĩ: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, n av là chiết suất trung bình của cách tử.
Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser được phản xạ cĩ bước sĩng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng cĩ bước sĩng λB thỏa điều kiện Bragg. Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sĩng cĩ độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thơng tin quang cĩ cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao.
Hình 3.8 Cấu trúc của Lazer DFB 3.3.2. Bộ điều chế quang
Bộ điều chế quang nhằm đưa thơng tin cần truyền lên sĩng mang quang. Cĩ hai kiểu điều chế quang thường được sử dụng đĩ là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngồi (external modulator) [11]. Mỗi dạng điều chế đều cĩ ưu và nhược điểm riêng. Đối với các hệ thống thơng tin quang tốc độ vừa phải (dưới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp được sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tượng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhược điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì người ta dùng bộ điều chế ngồi thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thơng tin tốc độ cao. Đề tài sẽ đi vào phân tích, mơ phỏng bộ điều chế ngồi, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator).
Cấu trúc bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder MZM
Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mơ tả như hình 3.9 [11]. Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sĩng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường độ dịng phân cực hay nĩi cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels. Một cách vắn tắt, độ lệch pha của
Như vậy, pha của sĩng mang quang sẽ bị dịch đi một gĩc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực. Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh. MZM được ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ.
Cĩ hai cách phân cực cho bộ MZM đĩ là phân cực đơn (single drive) và phân cực đơi (dual drive).
Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator
Hình 3.10 mơ tả bộ MZM phân cực đơn. Trong kiểu phân cực này, chỉ cĩ một nhánhMZM được phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta cĩ [11]:
Trong đĩ: E in là cường độ ánh sáng ngõ vào, Eout là cường độ ánh sáng ngõ ra, V∏ là điện thế phân cực để pha nhánh đĩ dịch ᴨ, Vin là điện thế phân cực cho MZM.
Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn Ta thấy, khi Vin =0 → E out =E in, khi V in = V∏ → E out =0.
Như vậy, tùy theo điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đến Ein (hay từ trạng thái ON đến OFF)
Hình 3.11 mơ tả bộ MZM phân cực đơi[11]. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V1(t) = V 2(t)).
Cĩ thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK [11]…
3.4. Bộ thu quang
Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trước hết sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. Bộ chuyển đổi quang điện thực hiện chức năng này. Trong đề tài, ta sử dụng kỹ thuật tách sĩng coherrent đối với bộ thu quang. Tức tín hiệu quang tới trước hết được trộn với sĩng quang phát ra từ bộ dao động nội, rồi sau đĩ tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này được chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector. Cấu trúc bộ thu quang coherrent được mơ tả rõ hơn trong hình 3.12 [5]. Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp được mơ tả như sau [5]:
(1) Một Lazer LD2 phát ra ánh sáng với tần số giao động nội. Tín hiệu do Lazer LD2 phát ra sau đĩ được chia làm hai nhánh, pha của một trong hai nhánh sẽ được lệch đi 900
(2) Tín hiệu quang nhận được cũng được chia làm hai nhánh.
(3) Nhánh thứ nhất của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sĩng quang đã bị lệch 900do LD2 phát ra, sau đĩ được dị bởi 2 photo-detector. Dịng điện sau mỗi photo-detector sẽ được tổng hợp lại và trả về thành phần I tương ứng bên phát.
(4) Nhánh thứ hai của tín hiệu quang nhận được sẽ trộn với sĩng quang do LD2 phát ra, sau đĩ cũng được dị bởi 2 photo-detector. Dịng điện sau mỗi photo-detector sẽ được tổng hợp lại và trả về thành phần Q tương ứng bên phát.
3.4.1. Photo- detector
Photo-detector là linh kiện để chuyển năng lượng quang thu được thành tín hiệu điện. Thơng thường một photodetector cĩ thể là một photodiode mối nối PN, photodiode PIN, photodiode thác lũ APD… Trong thực tế, đối với các hệ thống thơng tin quang tốc độ cao, yêu cầu độ nhạy cũng như độ chính xác cao thì photdiode thác lũ APD được sử dụng. Nhờ cơ chế “thác lũ” xảy ra trong photodiode APD nên so với photodiode PIN thì nĩ cĩ độ nhạy lớn hơn từ 5 dB đến 15 dB [1], hiệu suất lượng tử (hiệu suất biến đổi quang-điện) của APD thường cao hơn các loại photodiode khác nhiều lần, độ đáp ứng của photodiode APD cao hơn photodiode PIN vài trăm lần (0.5 – 0.7 A/W so với 20-80 A/W) [1] [4] tr.142. Tuy nhiên, photodiode APD thì nhiễu thường cao hơn, độ ổn định kém hơn (phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và điện áp phân cực [1]), và điện áp phân cực cao hơn nhiều lần so với photodiode PIN.
Kỹ thuật tách sĩng Coherrent
Như đã đề cập, kỹ thuật tách sĩng coherrent cĩ hai loại chính đĩ là tách sĩng heterodyne và tách sĩng homodyne. Trong kỹ thuật tách sĩng heterodyne, tín hiệu OFDM ở băng gốc trước tiên được đưa lên tần số trung tần fLO1 ở miền điện, sau đĩ tín hiệu OFDM trung tần được điều chế trên sĩng mang quang nhờ một bộ MZM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM trước tiên được chuyển về tín hiệu điện OFDM ở trung tần fLO2. Sau đĩ việc tách ra các đường I/Q được thực hiện ở miền điện. Trong kỹ thuật táchsĩng homodyne, sĩng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện-quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng để điều chế hai phần I/Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM được tách làm hai phần I/Q ngay trong miền quang nhờ sử dụng hai bộ thu cân bằng (balanced receiver) và một bộ ghép lai 900 (90 degree – hybrid). Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu OFDM ở băng gốc để khơi phục lại dữ liệu ban đầu. Đề tài đi vào phân tích, mơ phỏng kỹ thuật coherrent homodyne [1] [5] tr.270.
Hình 3.13 mơ tả nguyên tắc tách sĩng coherrent kiểu homodyne. Ta thấy, tách sĩng coherrent được thực hiện nhờ bộ ghép lai quang 900(90 degree optical hybrid) cĩ
Tín hiệu ra tại 4 ngõ E1-4 được biểu diễn [5]tr.270:
Thành phần I được tách ra nhờ bộ tách sĩng cân bằng thứ nhất (PD1 và PD2 Dịng điện tương ứng của thành phần I [5] tr.271:
Hình 3.13 Tách sĩng Coherrent Homodyne
Thành phần Q được tách ra nhờ bộ tách sĩng cân bằng thứ hai (PD3 và PD4). Dịng điện tương ứng của thành phần Q [5] tr.271:
Vậy dịng điện tổng cộng bao gồm thành phần I/Q tại ngõ ra[5]tr.271:
3.4.2. Bộ giải điều chế
Bộ giải điều chế cĩ chức năng chuyển dịng thu được từ photodiode thành tín hiệu cĩ dạng giống như tín hiệu trước khi đi vào bộ điều chế ở bộ phát. Tùy vào dạng