Đối với kênh truyền vơ tuyến, sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thơng thấp, tín hiệu s(t) đƣợc đƣa lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter tạo thành tín hiệu sRF(t) để anten phát cĩ thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra khơng gian. Ở phía thu, tín hiệu rRF(t) thu đƣợc từ anten phát sẽ đƣợc chuyển lại tín hiệu tần số băng gốc r(t) nhờ bộ Down-Converter.
Hình 2. 12 Bộ Up-Converter và Down-Converter 2.3.6 Bộ cân bằng (Equalizer)
Do các kênh sĩng mang phụ cĩ băng thơng hẹp chỉ chịu fading phẳng, nên một bộ Equalizer đơn giản đƣợc sử dụng nhằm tối ƣu tín hiệu rời rạc trƣớc khi cho qua bộ giải điều chế số de-modulator hay de-mapper, để giảm bớt tỉ số bit lỗi BER của hệ thống. Trong đề tài, bộ cân bằng dựa trên thuật tốn nội suy bậc một đƣợc sử dụng. Ý tƣởng là dựa vào các pilot để nội suy ra tồn bộ đáp ứng của kênh truyền quang tƣơng ứng từ đĩ sử dụng các biện pháp bù kênh truyền.
Ngồi ra để cải thiện BER ngƣời ta cịn sử dụng thêm các khối FEC (Forward
G Up- Converter Down- Converter 0 f fc f 0 ) (f S SRF(f) ) (f R ) (f RRF Baseband B BPassband Baseband B Passband B c f
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 19 Error Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hốn đổi vị trí biến các bit lỗi dạng chùm thành các bit đơn để FEC cĩ thể sửa đƣợc [2].
2.3.7 Dung lƣợng của hệ thống OFDM
Xét cho trƣờng hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sĩng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sĩng mang con đều cĩ chung một cấu hình (điều chế, mã hĩa, băng thơng, cơng suất…).
Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sĩng mang con, Tsym là thời gian symbol, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thơng tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sĩng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian symbol OFDM, tốc độ bit tổng đƣợc xác định nhƣ sau [7]:
( ( ))
( ( )) ( )
( ( ))
( ( )) (2. 13)
Từ cơng thức (2.13) cho thấy, đối với một sĩng mang con hay một nhĩm các sĩng mang con, bốn thơng số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều chế, (3) độ rộng băng và (4) FSR. Trong một hệ thống OFDM ta cĩ thể thay đổi các thơng số này để đạt đƣợc tốc độ bit tốt nhất nhƣng vẫn đảm bảo QoS cho hồn cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.
2.4 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM 2.4.1 Ƣu điểm 2.4.1 Ƣu điểm
Kỹ thuật OFDM cĩ nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác khơng cĩ đƣợc. Nĩ cho phép thơng tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tập tần số sĩng mang trực giao nên các sĩng mang nên hiện tƣợng nhiễu liên sĩng mang ICI cĩ thể đƣợc loại bỏ, do các sĩng mang phụ trực giao nhau nên các sĩng mang này cĩ thể chồng lấn lên nhau
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 20 mà phía thu vẫn cĩ thể tách ra đƣợc dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thơng hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ cĩ tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đƣờng thì hiện tƣợng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ đƣợc loại bỏ hồn tồn. Nhờ vào khoảng bảo vệ cĩ tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng nhƣ giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm đƣợc độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu đƣợc điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT.
2.4.2 Nhƣợc điểm
Nhƣợc điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn [7]. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sĩng mang phụ, nên khi các sĩng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn. Đây là yếu tố gây khĩ khăn trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC. Một nhƣợc điểm khác của kỹ thuật này là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sĩng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT khơng lấy mẫu đúng tại đỉnh các sĩng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. Đồng thời hệ thống OFDM địi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác [7].
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 21
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
Nội dung chƣơng này chủ yếu tập trung vào phân tích các thành phần cơ bản của một hệ thống thơng tin sợi quang bao gồm bộ phát quang, sợi quang, và bộ thu quang. Bên cạnh đĩ, trong chƣơng này đề tài sẽ trình bày các ảnh hƣởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang truyền trên nĩ. Cuối cùng, đề tài đƣa ra phƣơng pháp ƣớc lƣợng BER cho hệ thống quang dựa vào nguyên tắc xác suất thống kê.
3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
Cách đây 20 năm, các hệ thống thơng tin cáp sợi quang đƣợc chính thức đƣa vào khai thác trên mạng viễn thơng. Trong vịng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vƣợt bậc của cơng nghệ điện tử - viễn thơng, cơng nghệ quang sợi và thơng tin quang đã cĩ những tiến bộ vƣợt bậc. Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, khoảng 0,154 dB/km [1] tại bƣớc sĩng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ sợi quang trong hơn ba thập niên qua. Cùng với đĩ là sự tiến bộ lớn trong cơng nghệ chế tạo các nguồn phát quang, các loại cáp sợi quang mới, các bộ khuếch đại với mức độ nhiễu thấp cũng nhƣ băng tần hoạt động rộng, bộ thu quang… để từ đĩ tạo ra các hệ thống thơng tin quang với nhiều ƣu điểm trội hơn so với các hệ thống thơng tin cáp kim loại (nhƣ suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn rất lớn, khơng bị ảnh hƣởng của nhiễu điện từ, cĩ tính bảo mật tín hiệu thơng tin cao...)[4].
Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thơng tin quang đã cĩ sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thơng. Các hệ thống thơng tin quang khơng những chỉ phù hợp với các tuyến thơng tin xuyên lục địa, tuyến đƣờng trục, và tuyến trung kế mà cịn cĩ tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tƣơng lai. Các hệ thống thơng tin quang đã đƣợc triển khai thử nghiệm thành cơng với tốc độ đạt hàng Tb/s mở ra một thời đại mới trong cơng nghệ truyền dẫn.
Việc hiểu rõ ảnh hƣởng của kênh truyền quang lên tín hiệu đƣợc truyền trên nĩ là quan trọng để cĩ thể đƣa kỹ thuật điều chế OFDM vào hệ thống thơng tin quang. Theo
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 22 đĩ, chƣơng này đề tài trình bày những đặc tính cơ bản của một hệ thống thơng tin quang điển hình, đi vào phân tích một số ảnh hƣởng của kênh truyền quang lên tín hiệu quang đƣợc truyền trong nĩ, và cuối cùng đƣa ra phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng cho hệ thống thơng tin quang.
3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
Hình 3. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thơng tin quang
Hình 3.1 [4] tr.15 biểu diễn sơ đồ tổng quát các thành phần cơ bản nhất đối với một hệ thống thơng tin sợi quang. Tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối nhƣ là từ máy điện thoại, máy fax, máy tính… đƣợc chuyển thành tín hiệu quang nhờ bộ phát quang (Optical transmitter). Quá trình ngƣợc lại, tức là chuyển đổi tín hiệu từ miền quang sang miền điện đƣợc bộ thu quang (Optical receiver) thực hiện. Cáp sợi quang chính là thành phần quan trọng nhất trong mạng truyền thơng quang bởi vì chúng đĩng vai trị nhƣ là kênh truyền (communication chanel) để truyền tín hiệu quang từ nguồn tới đích.
3.2.1 Bộ phát quang
Bộ phát quang cĩ vai trị nhận tín hiệu điện đƣợc đƣa 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 đƣa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang). Cấu trúc cơ bản của một bộ phát quang đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.2 [4] tr.17.
Bộ phát quang nhƣ mơ tả ở Hình 3.2 bao gồm ba thành phần cơ bản nhƣ sau: (1) nguồn quang (Optical source) là Diode phát quang LED (Light Emitting Diode) hoặc
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 23 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), (2) bộ điều chế (Modulator) và (3) bộ ghép kênh (channel coupler) dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đã điều chế vào kênh truyền quang.
Hình 3. 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang
Cơng suất phĩng vào sợi quang (launched power) là một thơng số quan trọng cần đƣợc xem xét khi thiết kế. Cơng suất càng lớn thì khoảng cách giữa các trạm lặp (repeater) hay giữa các bộ khuếch đại (amplifier) trên đƣờng truyền càng dài. Tuy nhiên, khi càng tăng cơng suất phĩng vào sợi quang thì ảnh hƣởng của các hiện tƣợng phi tuyến lên tín hiệu truyền trên sợi quang càng tăng [9]. Vì thế, cơng suất này chỉ nằm trong một giới hạn cho phép sao cho ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến là cĩ thể chấp nhận đƣợc và số trạm lặp là ít nhất cĩ thể. Đơn vị thƣờng để đo mức cơng suất này là “dBm” với mức cơng suất tham chiếu là 1 mW [4]:
( ) .
/ (3. 1)
Đối với LED, cơng suất phĩng vào sợi quang tƣơng đối thấp ( ) nhƣng đối với LAZER thì mức cơng suất này cĩ thể đạt 10 dBm. Ngày nay, hầu hết các hệ thống truyền thơng quang đều sử dụng Lazer. Tốc độ bit cĩ thể đạt đƣợc khi sử dụng nguồn quang Lazer trong các hệ thống Viễn thơng hiện nay là 40 Gb/s/channel.
Nguồn quang
Loại nguồn quang đƣợc sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn. Nhƣ đã đề cập trên, cĩ hai loại nguồn quang đƣợc sử dụng chính đĩ là LED và
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 24 Lazer. Tuy nhiên, khơng phải chất bán dẫn nào cũng đƣợc sử dụng để chế tạo nguồn quang trong thơng tin quang. Để cĩ thể đƣợc sử dụng trong thơng tin quang, các chất bán dẫn cần phải cĩ dải cấm năng lƣợng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lƣợng phù hợp sao cho cĩ thể tạo ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng nằm trong vùng bƣớc sĩng hoạt động của thơng tin quang.
Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:
Cĩ kích thƣớc nhỏ tƣơng 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 tƣởng, nguồn quang phải tuyến tính.
Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.
Phát ra ánh sáng cĩ bƣớc sĩng phù hợp với vùng bƣớc sĩng mà sợi quang cĩ suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bƣớc sĩng này.
Ánh sáng do nguồn quang phát ra khơng phải chỉ tồn tại ở một bƣớc sĩng nhất định mà tại một khoảng bƣớc sĩng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tƣợng 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 thƣờng Diot phát quang LED sẽ cĩ độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhƣng lại rẻ hơn. Cho nên tùy ứng dụng, thiết kế cụ thể mà ngƣời ta chọn sử dụng LED hay Lazer [1].
Trong các hệ thống truyền thơng tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ƣu. Đề tài trình bày cả lý thuyết lẫn mơ phỏng nguồn quang sử dụng là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers).
Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4]
Lazer DFB đƣợc ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4]. Về cơ bản, Nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tƣợng: (1) Hiện tƣợng phát xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 25 tƣợng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.4 (c)). Các photon này đƣợc tạo ra cĩ tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hƣớng và cùng phân cực). Nhƣ vậy, ánh sáng kết hợp đƣợc khuếch đại. (2) Hiện tƣợng cộng hƣởng của sĩng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự chọn lọc tần số (hay bƣớc sĩng) ánh sáng. Theo đĩ, chỉ những sĩng ánh sáng cĩ tần số (hay bƣớc sĩng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hƣởng thì mới cĩ thể lan truyền và cộng hƣởng trong hốc cộng hƣởng đƣợc [4] tr.78.
Hình 3. 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng (a) hấp thụ. (b) phát xạ tự phát. (c) phát xạ kích thích
Cấu trúc của laser DFB đƣợc biểu diễn trên Hình 3.4. Quá trình cộng hƣởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB đƣợc thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sĩng ánh sánh 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 hƣởng cĩ thể xảy ra là bƣớc sĩng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100:
.
/ . / (3. 2)
Trong đĩ: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, nav là chiết suất t r u n g b ì n h của cách tử.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 26 tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lƣợng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lƣợng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser đƣợc phản xạ cĩ bƣớc sĩng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng cĩ bƣớc 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 nhƣ vậy, laser DFB đã và đang đƣợc sử dụng trong các hệ thống thơng tin quang cĩ cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao.
Hình 3. 4 Cấu trúc của Lazer DFB
Bộ điều chế quang (modulator)
Bộ điều chế quang nhằm đƣa thơng tin cần truyền lên sĩng mang quang. Cĩ hai kiểu điều chế quang thƣờng đƣợc 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 ƣu và nhƣợc điểm riêng. Đối với các hệ thống thơng tin quang tốc độ vừa phải (dƣới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp đƣợc sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện đƣợc đƣa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tƣợng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhƣợc điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì ngƣời 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).
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 27 Cấu trúc chung nhất của bộ MZM đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.5 [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 tƣợng giao thoa ánh sáng và hiện tƣợng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cƣờng độ dịng phân cực hay nĩi cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels [17] (là hiệu