1. 4 Ưu nhược điểm của sợi quang nhựa POF
3.1. Điều chế OFDM trong sợi quang GI-POF
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật FDM, sử dụng phương pháp điều chế kỹ thuật số đa sóng mang. Những dữ liệu đầu vào được truyền trên các sóng mang con trực giao với nhau. Những sóng mang con được điều chế bằng những kỹ thuật số thông thường như QAM, hay PSK với tốc độ symbol thấp để tốc độ dữ liệu có thể tương đương với các đơn sóng mang tại cùng một băng tần. Ưu điểm của OFDM đó là có thể sử dụng truyền tín hiệu trên những kênh có chất lượng xấu, đặc biệt là khắc phục hiện tượng đa đường. Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading chọn lọc tần số. OFDM là kỹ thuật cơ bản cho hệ thống không dây băng rộng. Với những đặc tính và ưu điểm nổi trội của mình OFDM ngày càng được sử dụng nhiều trên các công nghệ thế hệ mới.
Trong những năm gần đây, công nghệ truy nhập kết hợp quang và vô tuyến là những đề tài nghiên cứu thú vị, sử dụng truyền tín hiệu vô tuyến OFDM trên sợi ROF (Radio over fiber) và một số công nghệ truyền dẫn tín hiệu OFDM trên sợi quang khác cũng được phát triển rộng. Vì vậy OFDM ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong truyền thông quang học.
Trong phần này, giới thiệu truyền tải tín hiệu 16Gb/s OFDM trên sóng mang cực ngắn 24GHz với sợi GI-POF- 1310nm. Sơ đồ truyền dẫn tín hiệu OFDM trên sợi GI-POF minh họa trên hình 3.1.
DFB-LD: Bộ tạo nguồn quang (laser diode). IM: bộ điều chế cường độ (intensitymodulator). EA: Bộ khuếch đại.
Hình 3.1: Sơ đồ truyền dẫn OFDM trên sợi GI-POF
Sóng ánh sáng từ nguồn DFB-LD có bước sóng 1310nm và công suất 10dBm được điều chế tại bộ điều chế IM được điều khiển bởi tín hiệu OFDM. Tín hiệu 16Gb/s OFDM tạo ra từ máy phát OFDM và sau đó được chuyển lên thành 24GHz để có thể nhận được tín hiệu RF-OFDM qua bộ trộn điện. Băng thông OFDM là 8GHz, kích cỡ FFT là 256, 200 kênh truyền dữ liệu, 55 kênh tại tần số cao để không vượt quá tỉ lệ lấy mẫu và một kênh ở giữa phổ OFDM cho việc đảm bảo DC không thuộc băng tần gốc. Bộ lọc thông thấp LPF với băng tần 5GHz để loại bỏ các quang phổ cao. Sau đó, RF-pilot tạo ra bằng cách chèn thêm một offset DC nhỏ trước khi qua bộ trộn tương tự I/Q để chuyển tín hiệu OFDM băng gốc thành IF (intermediate frequency)- OFDM. Tại điểm a, IM được điều khiển bởi tín hiệu OFDM tạo dải quang biên độ kép. Độ chênh lệch và công suất của tín hiệu RF được điều chỉnh thận trọng để phù hợp với tỉ lệ công suất giữa sóng mang quang và tín hiệu biên đầu tiên. Sau khi qua bộ IM, tín hiệu OFDM được truyền vào 50m sợi GI-POF có công suất đầu vào và đầu ra là 5.5dBm và 2.5dBm, có suy hao 60dB/km và bước sóng sử dụng 1300nm. Một bộ thu PIN đặt tại bên thu với băng thông 25GHz và nhiều copler đầu vào. Trước khi qua bộ LPF, tín hiệu điện 24GHz LO được trộn để chuyển đổi xuống tín hiệu điện với băng tần cơ sở của nó. Tín hiệu chuyển đổi xuống được lấy mẫu với thời gian thực. Giá trị BER được đo vòng lại và giá trị sau khi truyền qua 50m GI-POF nhỏ hơn 10-3 . Giá trị này nhỏ
hơn so với giá trị lỗi cho phép FEC là 2×10-3.
Truyền dẫn tín hiệu 16Gb/s OFDM trên sợi GI-POF giảm công suất phát do OSNR (signal-to-noise- ratio) nhỏ. Vì vậy OFDM trên GI-POF là một kỹ thuật có thể giúp ta có một mạng truy nhập quang băng rộng để cung cấp băng thông cần thiết và kết nối linh hoạt cho người sử dụng internet trong tương lai.
Điều chế biên độ cầu phương QAM kết hợp với ghép sóng mang con có thể được sử dụng truyền đa kênh trong dải thông của sợi quang đa mode MMF, để có thể tích hợp nhiều dịch vụ khác nhau trên cùng một sợi MMF.
Trong đồ án này, giới thiệu kỹ thuật ghép 5 sóng mang con kết hợp với tín hiệu 16-QAM và 64-QAM và truyền trên 100m sợi GI-POF với đường kính lõi 50µm. Tốc độ symbol trên mỗi kênh sóng mang con là 10Mbaud, khoảng cách các kênh là 20Mhz. Tốc độ bít tổng của 16-QAM và 64-QAM lần lượt là 200Mb/s và 300Mb/s. Dải thông sử dụng từ 1,96-6,04 Ghz. Tỉ lệ lỗi bít BER là dưới 10-9 cho mỗi kênh sóng mang con. Tổng dung lượng của hệ thống có thể đạt được 12.3Gb/s nếu sử dụng nhiều kênh sóng mang hơn để chiếm toàn bộ dải tần, và khi đó dung lượng cũng tăng do sử dụng nhiều symbol tốc độ cao hơn tại mỗi kênh. Các tần số của 5 sóng mang con thay đổi từ 2Mhz đến 6Mhz. Tỉ lệ lỗi bit BER nhỏ hơn 10-9 cho mỗi kênh.
Hình 3.2: Sơ đồ truyền tín hiệu QAM
Tín hiệu M-QAM được điều chế ngoài, 5 sóng mang con ghép vào tín hiệu M- QAM với khoảng cách bằng nhau. Đầu tiên thành phần đồng pha I và vuông pha Q được tạo ra riêng biệt từ máy phát dạng sóng ngẫu nhiên AWG có băng tần 100Mhz . Sau đó được kết hợp lại vào bộ nhớ của VSG (vector signal generator). Tín hiệu kết hợp này có hệ số roll-off là 0,1. Tín hiệu I và Q có sự sai khác pha là π/2. Sau đó tín hiệu qua bộ điều chế sóng quang kết hợp chuyển đổi điện quang DFB với bước sóng hoạt động 1310nm. Sau khi qua bộ Attenuator (bộ điều khiển công suất quang) tín hiệu được đưa vào sợi quang POF với đường kính lõi là 50µm. Sau đó tín hiệu đến bộ chuyển đổi quang điện O/E sử dụng PIN và một sợi MMF với đường kính lõi là 50µm và băng tần là 25Ghz. Sau đó tín hiệu qua bộ khuếch đại rồi tới bộ VSA để giải điều chế tín hiệu, có được phổ biểu đồ mắt của tín hiệu QAM.
Hiệu năng của hệ thống:
Ta ghép 5 sóng mang con thành một nhóm và ghép vào tín hiệu M-QAM với dải tần là 100Mhz. Tần số trung tâm của mỗi nhóm thay đổi trong miền dải tần của sợi GI-POF 2-6Ghz. Có tất cả 41 nhóm sóng mang con được ghép vào tín hiệu như vậy, khoảng cách gữa các kênh sóng mang con là bằng nhau và khoảng 20 Mhz. Công suất RF của từng kênh sóng mang con là bằng nhau và công suất đầu ra của VSG là 0 dBm.
Tổng dung lượng của 64-QAM là 12.3 Ghz nếu 41 nhóm sóng mang con được ghép vào tín hiệu đồng thời.
Hình 3.3: Phổ của kênh sóng mang con tại tần số trung tâm 2, 4, 6 GHz
Ta có thể thấy rõ, phổ của 5 sóng mang con nhận là tách biệt nhau, vì vậy khoảng cách giữa các sóng mang con có thể được giảm xuốn để có thể truyền nhiều kênh trong một băng tần, giúp tăng dung lượng hệ thống.
Hình 3.4: Sơ đồ mắt của 16-QAM và 64-QAM
Từ hình 3.3 và hình 3.4, ta thấy được độ mở và rõ của mắt với mỗi sóng mang. Từ đó ta xác định được EVM của từng kênh, đây là tham số xác định hiệu năng truyền. Giá trị EVM là khoảng 0.8%-2.8% cho 16-QAM và 1.1% - 3.1% cho 64-QAM. Mặt khác tỉ lệ chuẩn quy ước BER của 16-QAM và 64-QAM là < 10-9 và EVM < 7.2% và 3.6% với 16-QAM và 64-QAM. Vì vậy các giá trị thu được thỏa mãn với giá trị quy chuẩn.
Ghép 5 sóng mang vào tín hiệu 16-QAM và 64-QAM truyền trên sợi GI-POF có EVM lớn nhất là 2.8% và 3.1%. Tốc độ bit đạt được là 200Mb/s và 300Mb/s cho 16-QAM và 64-QAM. Tổng dung lượng của hệ thống có thể đạt được là 12.3 Gb/s và có thể tăng hơn khi giảm khoảng cách giữa các sóng mang để sử dụng hiệu quả băng tần. Và kỹ thuật trên thích hợp với ứng dụng tốc độ cao trên sợi POF.
Hình 3.5: EVM của kênh truyền
3.3. DMT trên GI-POF
Những năm gần đây, sợi GI-POF với đường kính 50µm được sử dụng nhiều hơn với tốc độ 10 Gb/s với ứng dụng gần và giá thành thấp. Với ứng dụng ngắn, sợi đa mode MMF-GIPOF được sử dụng nhiều hơn so với những sợi đơn mode do bán kính và hệ số NA lớn. Với những công nghệ gần đây như công nghệ chuẩn 10 Gbit và 100Gbit. Ethernet thì sợi MMF cũng được sử dụng để cung cấp tốc độ bit cao.
Đồ án này sẽ giới thiệu điều chế đa tần rời rạc với 64 trạng thái của 64-QAM, sử dụng laser DFB (băng thông 12Ghz) bước sóng 1302nm, và sử dụng MMF-coupled với đường kính lõi 25µm và đạt tốc độ truyền 47Gb/s trên 100m sợi GI-POF có đường kính lõi là 50µm.
Một đặc điểm quan trọng của DMT là phân bổ số bit trên mỗi sóng mang con sao cho tương ứng với hệ số SNR. Có 2 thuật toán tương ứng phân bổ số bit trên mỗi sóng mang đó là:
• Rate-adaptive: Đưa ra tốc độ bít tối đa khi công suất và BER cố định. • Margin-adaptive: tối thiểu BER khi tốc độ bit là cố định trước.
Hình 3.6: Sơ đồ truyền tín hiệu DMT trên GI-POF
Tín hiệu DMT được điều chế ngoài và qua bộ tạo sóng AWG 7122B với băng thông 10Ghz và tốc độ 24GS/s. Sau đó tín hiệu qua bộ VEA điều chỉnh công suất tới bộ khuếch đại và tới laser DFB (điều chế trực tiếp) với bước sóng 1302 nm. Tiếp theo tín hiệu quang được truyền trên sợi GI-POF với chiều dài 100m và đường kính 50µm hoặc truyền trực tiếp tới bộ suy giảm tín hiệu đa âm quang khi đo back-to-back. Tại bên thu, tín hiệu tới bộ tách sóng quang PD (chuyển đổi quang điện) gồm kết hợp nhiều sợi đa mode và có đường kính sợi 25µm. Sau đó tín hiệu tới bộ khuếch đại và tới bộ hiển thị sóng DPO72004 với những giao động thời gian thực có tần số 16Ghz, tốc độ của bộ 50GS/s. Bộ DPO72004 để dò tìm và phát hiện lỗi, và đánh giá tín hiệu. Trong sơ đồ quá trình điều chế, giải điều chế DMT và khôi phục xung đồng hồ và pha được thực hiện ngoài.
Tín hiệu DMT truyền trên sợi quang GI-POF sử dụng 1024 sóng mang con với tần số từ 0-12Ghz. Trên hình 3.7 thể hiện số sóng mang con sử dụng và tốc độ tương ứng với BER cố định là 10-3.
Hình 3.8: SNR trên sóng mang con của tín hiệu DMT
Trong hình 3.8a-SNR trên các sóng mang con khi chưa sử dụng thuật toán Rate-adaptive. Hình 3.8b-SNR khi đã sử dụng Rate-adaptive. Dễ dàng nhận thấy với các sóng mang có SNR cao nhất ta sử dụng 64-QAM tương đương 6 bit trên một symbol. Với những sóng mang có SNR thấp hơn sử dụng 16-QAM và sóng mang có SNR thấp nhất sử dụng 4-QAM. Sự phân bổ này giúp SNR trên mỗi sóng mang nhận giá trị cố định và giúp tỉ lệ BER trên toàn hệ thốn đạt yêu cầu là 10-3 cho trước. Có 4421 bit được cấp phát cho mỗi khung DMT, và tín hiệu DMT không giải điều chế từng sóng mang một mà giải điều chế theo từng khung vì vậy những sóng mang có BER >10-3sẽ được bù lại bằng những sóng có BER< 10-3 chính vì vậy BER của toàn hệ thống thỏa mãn theo yêu cầu cho trước. Và nhỏ hơn giới hạn sửa lỗi FEC của hệ thống.
Vậy điều chế DMT là giải pháp đầy hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao, chi phí thấp và dễ dàng truyền trên sợi GI-POF. Hiện nay DMT còn tích hợp thêm những thích ứng để bù lại suy hao do tán sắc sợi GI-POF do uốn cong và những tán sắc khác.
3.4. Truyền tín hiệu UWB trên GI-POF
Ngày nay những dịch vụ vô tuyến yêu cầu băng thông cao ngày càng phát triển, nhưng lại bị cản trở do phổ tần bị hạn chế. Công nghệ UWB giúp khắc phục hiện tượng trên, giúp tăng vùng phổ cho tín hiệu vô tuyến. Công nghệ UWB kết hợp với truyền dẫn quang giúp mở rộng hơn những ứng dụng cung cấp dịch vụ có tốc độ dữ liệu truy nhập cao, và giá thành rẻ cho các thiết bị di động hay người sử dụng di động tại nhà. Hệ thống UWB sử dụng xung guass và anten lưỡng cực giúp cải thiện BER và
Với những ứng dụng có quy mô lớn và khoảng cách ngắn. Sợi MMF có lợi thế về dễ dàng lắp đặt, bán kính và khẩu độ số lớn. Sợi quang POF truyền tải ngắn với băng thông rộng chi phí thấp thường được áp dụng trong home network. Sợi GI-POF có khả năng uốn cong với bán kính 5mm, cho phép kéo căng và nối ghép đơn giản. Vì vậy xung vô tuyến UWB kết hợp truyền trên sợi GI-POF đưa ra những dịch vụ đầy hứa hẹn trong viễn thông.
Hình 3.9: Sơ đồ truyền tín hiệu UWB trên GI-POF
Tín hiệu được chuyển đổi quang điện qua DFB tại bước sóng 1302nm. Sau đó được tuyền trên sợi GI-POF và được chuyển đổi điện quang bằng PD. Trên cơ sở đó, các xung UWB được điều chế ngoài tới máy tạo dạng sóng AWG với dao động thực có tốc độ 50GS/s để hiện dạng sóng của tín hiệu thu được. Và tín hiệu cũng qua bộ phân tích phổ để xác định phổ của xung UWB.
Hình 3.11: Dạng sóng của tín hiệu UWB trước và sau khi truyền qua sợi GI-POF
Phổ của UWB tương thích với mặt nạ FCC, tần số trung tâm là 6,44 Ghz. Phổ UWB rời rạc vì tần số của bộ AWG là 250Mhz. Sau khi truyền qua 100m sợi GI-POF phổ của UWB vẫn tương thích với mặt nạ FCC và không bị méo. Tuy nhiên một vài phổ không bền xuất hiện tại tần số < 0.9 Ghz, đó có thể do hiện tượng phi tuyến trong GI-POF. Và sự suy giảm phổ tần tại tần số cao là do giới hạn băng thông của GI-POF. Còn với dạng sóng trước và sau khi truyền thì không có sự suy giảm tín hiệu ngoại trừ những suy hao do mối hàn.
3.5. Kết luận
Chương 3 đưa đến một số kỹ thuật điều chế trong sợi quang POF, đặc biệt chủ yếu đi nghiên cứu về sợi quang GI-POF. Các kỹ thuật điều chế được đưa ra như: điều chế OFDM, M-QAM kết hợp ghép 5 sóng mang con, DMT và truyền dẫn tín hiệu UWB trên sợi quang POF.
Việc sử dụng OFDM trên GI-POF là một kỹ thuật cho phép truyền dẫn thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu, đây là một kỹ thuật giúp cung cấp một băng thông cần thiết và kết nối hiệu quả cho người sử dụng Internet trong một mạng truy nhập quang băng rộng. Việc sử dụng kỹ thuật M-QAM kết hợp 5 sóng mang con trên GI-POF cho phép nâng cao dung lượng hệ thống lên khá cao, kỹ thuật này hoàn toàn thích hợp với những ứng dụng tốc độ cao của sợi GI-POF. Bên cạnh đó, việc điều chế đa tần rời rạc DMT sử dụng nhiều sóng mang con với tỉ lệ BER hoàn toàn ổn định, đây chính là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao, chi phí thấp và dễ dàng truyền trên sợi GI-POF. Ngoài ra, kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến UWB kết hợp truyền trên sợi GI-POF với chi phí thấp, băng thông rộng cũng mang lại đầy hứa hẹn cho ngành viễn thông tương lai.
CHƯƠNG 4: NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG SỢI QUANG POF
Sợi quang POF đang ngày được nghiên cứu và phát triển rộng rãi ra thị trường.