CÔNG NGHỆ OFDM QUANG

CHƯƠNG 2 : CÔNG NGHỆ CO-OFDM-WDM QUANG

2.1. CÔNG NGHỆ OFDM QUANG

2.1.1. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM quang

Hình 2.1. là mơ hình của một hệ thống OFDM quang [1], bao gồm năm khối chức năng cơ bản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang, chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM.

Dữ liệu đầu vào sẽ được đưa vào bộ RF OFDM phía phát sau đó sẽ được chuyển tới bộ RF sang quang (RTO) qua đường truyền quang. Trên đường truyền quang tín hiệu sẽ được khuyếch đại quang, đưa tới bộ chuyển quang sang RF (OTR) và đưa tới bộ RF OFDM phía thu. Ta sẽ thu được dữ liệu tại đầu ra.

36

2.1.2. Các khối chức năng của hệ thống truyền dẫn OFDM quang

2.1.2.1. Khối phát RF OFDM

Như đã trình bày trong nội dung về hệ thống OFDM, khối phát RF OFDM bao gồm bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P), bộ ánh xạ kí tự sóng mang con, bộ điều chế IDFT, bộ chèn khoảng bảo vệ GI và bộ biến đổi D/A.

Hình 2.1. Kiến trúc hệ thống OFDM quang

Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp song song), tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành Nsc “kí tự thơng tin” song song. Những kí tự này sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền. Tín hiệu trong miền thời gian thu được sau khi qua bộ ánh xạ (mapper) sẽ được đưa đến bộ điều chế OFDM (IDFT). Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền thời gian, giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là cki và sau đó được chèn một khoảng bảo vệ nhờ bộ chèn GI để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu ICI (nhiễu kênh lân cận). Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệu OFDM. Tín hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn [1]:

37 / 2 2 ( ) / 2 1 ( ) ( ) sc k s sc k N j f t iT ki s i k N s t c t iT e             (2.1) 1 k s k f t   1, ( ) ( ) 0, ( , ) G s G s t t t t t t            Trong đó cki là kí hiệu mang thơng tin thứ i tại sóng mang con thứ k, fk là tần

số sóng mang con thứ k, Nsc là số sóng mang con, Ts là thời gian một kí hiệu OFDM, ts là thời gian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Phần mở rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆G, 0) trong phương trình (2.2) đại diện cho chèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ. Tín hiệu sau đó sẽ được chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi một bộ lọc thơng thấp loại bỏ các tín hiệu khơng mong muốn.

2.1.2.2. Khối chuyển RF sang quang

Sau khi thu được tín hiệu băng gốc thì phần thực và phần ảo của tín hiệu này được bộ RTO điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang và sau đó đưa lên đường truyền quang.

Trong kỹ thuật OFDM quang có 3 giải pháp điều chế, đó là: điều chế quang trực tiếp, điều chế quang gián tiếp và điều chế I-Q (các giải pháp này sẽ được trình bầy ở phần sau).

2.1.2.3. Kênh truyền quang và bộ khuyếch đại quang

 Kênh truyền quang

Tín hiệu sau khi được chuyển thành tín hiệu hiệu quang thì sẽ được đưa lên kênh truyền quang. Kênh truyền này có tác dụng truyền tín hiệu quang từ đầu phát tới đầu thu. Hầu hết các hệ thống quang mặt đất thì đều sử dụng sợi cáp quang làm kênh truyền quang. Dựa trên nguyên lý truyền dẫn của sợi quang. Cấu trúc cơ bản (2.2)

38

của một sơi quang bao gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 và một lớp bọc bao quanh lõi bằng thủy tinh, hình ống đồng tâm với lõi có chiết suất n2 với n1 > n2. Hiện nay, sợi quang có 3 loại: sợi đơn mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất bậc và sợi đa mode chiết suất gradien. Tuy nhiên, trong kỹ thuật CO-OFDM-WDM quang người ta thường sử dụng sợi đơn mode chiết suất bậc.

Sợi đơn mode chiết suất phân bậc có đường kính sợi lõi rất nhỏ, cỡ khoảng 8.10m và chỉ truyền một mode sóng trong sợi (được mơ tả trong hình 2.2).

Hình 2.2 Sợi quang đơn mode (SM: Single Mode)

 Bộ khuyếch đại quang

Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang, khi cự ly truyền dẫn dài tới một mức nào đó mà suy hao vượt quá cơng suất dự phịng, mức phân bổ suy hao khơng đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các bộ khuếch đại quang hay các trạm lặp. Các trạm lặp thực hiện khuếch đại quang trên đường truyền thông qua quá trình biến đổi tín hiệu quang rất yếu tại đầu vào của bộ lặp thành tín hiệu điện khuếch đại lên, chỉnh lại thời gian, dạng tín hiệu đó sau biến đổi thành tín hiệu quang, lúc này đã được khuếch đại lên nhiều lần, tại đầu ra và phát vào đường truyền.

Tuy nhiên, gần đây cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện được quá trình khuếch đại quang trực tiếp gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Để khuếch đại quang, người ta đã có nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau được chia thành 2 loại chính: Khuếch đại

n1 n2 n2

39

quang bán dẫn SOA (Optical Semiconduction Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier).

Trong các loại OFA, có bộ khuếch đại quang EDFA và bộ khuếch đại quang Raman. Hiện nay, bộ khuếch đại quang EDFA được sử dụng khá phổ biến. Dưới đây là hình vẽ minh họa cho một bộ khuếch đại EDFA:

Hình 2.3. Bộ khuếch đại EDFA

2.1.2.4. Khối chuyển quang sang RF

Ở phía thu, tín hiệu OFDM quang được chuyển đổi thành tín hiệu OFDM RF là q trình ngược lại so với phía phát chuyển đổi tín hiệu OFDM RF thành tín hiệu quang.

2.1.2.5. Khối thu RF OFDM

Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệu này cần đưa qua ba mức đồng bộ phức tạp trước khi quyết định kí tự dữ liệu, ba mức đồng bộ:

1. Đồng bộ cửa sổ DFT trong đó các kí tự OFDM được mơ tả đúng để tránh nhiễu liên kí tự. Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn.

2. Đồng bộ tần số, cụ thể là dịch tần được ước lượng, được bù trừ và hơn thế nữa là được hiệu chỉnh tới một giá trị nhỏ nhất khi bắt đầu. Người ta đưa ra hai

40

phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là: Lấy mẫu không đồng bộ. Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.

3. Khơi phục sóng mang con, mỗi kênh sóng mang con được ước lượng và bù trừ. Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation).

Đồng thời, việc đảm bảo chất lượng hệ thống thơng tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng. Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại được tín hiệu điện bên phía phát là cực kỳ quan trọng. Hiện nay việc tách sóng dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD – Direct Detector), kỹ thuật tách sóng kết hợp (CO – Coherrent Detector) và tách sóng I-Q.

2.1.3. Các phương pháp điều chế quang dùng cho OFDM quang

2.1.3.1. Điều chế quang trực tiếp

Dưới đây là sơ đồ mô tả cho điều chế quang trực tiếp

41

Ở phương pháp này điều chế được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu cần truyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi dịng điện kích thích chạy qua Lazer. Tức là tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp để sử dụng với những hệ thống thơng tin quang có tốc độ vừa phải (dưới 10Gb/s). Còn đối với những hệ thống ở tốc độ cao (trên 10Gb/s) thì dạng điều chế này gây nên hiện tượng dịch tần số.

2.1.3.2. Điều chế gián tiếp (điều chế ngoài)

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 thông tin tốc độ cao. Dưới đây là sơ đồ cho bộ điều chế gián tiếp.

Hình 2.5. Sơ đồ điều chế gián tiếp

Lúc này việc điều chế tín hiệu khơng được thực hiện bên trong lazer mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngồi.

Có hai loại điều chế ngoài được sử dụng hiện nay đó là: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA). Cụ thể hơn ta sẽ đi phân tích bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder. Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mơ tả như hình 2.6.

42

Hình 2.6. Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator

Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng 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 nói cách khác là tn theo hiệu ứng Pockels (là hiệu ứng mà ở đó chiết suất ánh sáng của mơi trường biến đổi theo điện trường áp dụng lên môi trường đó. Khi chiết suất ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế đó). Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và được cho bởi công thức:

V V

   (2.4)

Trong đó: V là điện thế phân cực cho MZM.

V là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng bị dịch 180

Như vậy, pha của sóng mang quang sẽ bị dịch đi một góc 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.

Có hai cách phân cực cho bộ MZM đó là phân cực đơn (single drive) và phân cực đơi (dual drive).

Điểm tiếp xúc Ống dẫn sóng

43

Hình 2.7 mơ tả bộ MZM phân cực đơn. Trong kiểu phân cực này, chỉ có một nhánh MZM được phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta có:

                  V V i E Eout in 1 exp in 2 (2.5) Trong đó: E in- cường độ ánh sáng ngõ vào; E

out- cường độ ánh sáng ngõ ra; V -

điện thế phân cực để pha nhánh đó dịch ; V

in - điện thế phân cực cho MZM.

Hình 2.7. Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn

Ta thấy, khi V

in= 0 => E

out=E

in, khi V

in= V => Eout= 0. Như vậy, tùy vào điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đếnE

in

(hay từ trạng thái ON đến OFF).

Hình 2.8 mơ tả bộ MZM phân cực đôi. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V t1( ) V t2( )).

Tín hiệu ra Tín hiệu vào

Điện cực

44

Hình 2.8. Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi

Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của cả hai nhánh như trường hợp phân cực đơn.

                        V V i V V j E

Eout in exp 1 exp 2

2 (2.6)

Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK

2.1.3.3 Điều chế I-Q

Trong cơng nghệ OFDM quang, người ta có thể sử dụng kỹ thuật điều chế I-Q. Sơ đồ khối kỹ thuật điều chế I-Q trong OFDM quang được mơ tả ở hình 2.9.

Hình 2.9. Sơ đồ khối kỹ thuật thuật điều chế I-Q trong OFDM quang. MZM MZM MZM 900 Tín hiệu thực từ RF OFDM phát Tín hiệu ảo từ RF OFDM phát Tín hiệu đến sợi quang Q I Ống dẫn sóng Điện cực

45

Từ sơ đồ khối ta có thể thấy tín hiệu sau bộ IFFT vẫn là tín hiệu phức. Tín hiệu phức này có thể được biểu diễn thành 2 thành phần là thành phần tín hiệu thực và thành phần tín hiệu ảo, và khi biểu diễn như vậy, phần thực và phần ảo của tín hiệu đều là các tín hiệu thực.

Tiếp theo nó sẽ xử lý từng phần bằng cách cộng thiên áp DC với cả thành phần thực và thành phần ảo. Sau đó cả thành phần thực và thành phần ảo được điều chế gián tiếp sử dụng bộ điều chế ngoài Mach Zehnder MZM. Riêng đối với thành phần tín hiệu ảo, nó bị làm trễ 900

tức là thành phần tín hiệu ảo sẽ truyền ngay sau thành phần tín hiệu thực.

2.1.4. Các phương pháp giải điều chế quang dùng cho OFDM quang

2.1.4.1. Tách sóng trực tiếp

Đối với kỹ thuật tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ thì cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang được tạo ra từ linh kiện quang. Các hệ thống như vậy có nhược điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp. Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì cơng suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn.

2.1.4.2. Tách sóng kết hợp (tách sóng coherent)

Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent, bao gồm tách sóng heterodyne và homodyne.

Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trước tiên bộ thu quang sẽ sử dụng phần tử dao động nội bởi một lazer diode ở phía thu để cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện. Như vậy, dịng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện. Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng

46

1,3μm đến 1,6μm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 9

10 Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha.

2.1.4.3. Tách sóng I-Q

Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng I-Q trong OFDM quang được mơ tả ở hình 2.10.

Hình 2.10. Sơ đồ khối kỹ thuật thuật tách sóng I-Q trong OFDM quang. Trong tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện – Trong tách sóng homodyne, sóng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện – quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt được sử dụng để điều chế hai thành 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 (gồm 4 photo-detector