Cấu trúc các bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM đã đƣợc trình bày trong chƣơng 2. Ở đây, đề tài hệ thống lại những đặc điểm, tính chất chủ yếu. Hình 4.1 và Hình 4.2 tƣơng ứng là sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM [2].
Hình 4. 1 Mơ hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát
Hình 4.1 miêu tả bộ điều chế tín hiệu OFDM. Tại đây, đầu vào là dịng dữ liệu {dl} đƣợc chia thành dịng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N lần thơng qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song. Dịng bit trên mỗi luồng dữ liệu {di,k} đƣợc ánh xạ thành tín hiệu phức {ci,k}, với k là chỉ số song mang con. Các tín hiệu phức này đƣợc đƣa vào ngõ vào của bộ IFFT. Ngõ ra bộ IFFT chính là tín hiệu OFDM trong miền thời gian, tín hiệu này sau đĩ đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp, chèn khoảng bảo vệ CP. Phần thực và phần ảo của tín hiệu phức đƣợc chuyển thành tín hiệu tƣơng tự thơng qua bộ DAC, sau cùng mỗi phần thực và phần ảo đƣợc đƣa vào hai bộ điều chế quang MZM để chuyển thành tín hiệu quang.
Hình 4.2 là bộ giải điều chế tín hiệu OFDM. Trong bộ giải điều chế tín hiệu OFDM, quá trình thực hiện ngƣợc lại so với phía điều chế tín hiệu OFDM. Các thành
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 48 phần I/Q sau khi đƣợc dị bởi photo-detector, sẽ đƣợc chuyển về dạng số nhờ các bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số ADC. Hai thành phần thực và ảo này đƣợc ghép lại thành một số phức duy nhất. Dịng tín hiệu sau đĩ đƣợc chuyển từ nối tiếp sang song song nhờ sử dụng bộ đệm (buffer). Tín hiệu đƣợc bỏ khoảng bảo vệ, đƣa vào ngõ vào bộ FFT. Tín hiệu sau bộ FFT là tín hiệu rời rạc ở miền tần số, đƣợc giải điều chế ở băng tần cơ sở và chuyển chuỗi bít nhận đƣợc về dạng nối tiếp nhờ bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp. Chuỗi bít nhận đƣợc ở dạng nối tiếp này chính là chuỗi bít ở phía phát (dữ liệu).
Hình 4. 2 Mơ hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu 4.3 BỘ PHÁT QUANG
Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherrent đƣợc mơ tả nhƣ Hình 4.3.
Thành phần thực và ảo (I/Q) từ hai ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu OFDM đƣợc chuyển đổi từ miền điện sang miền quang nhờ hai bộ điều chế ngồi MZM nhƣ mơ tả trên Hình 4.3. Sau đĩ, tín hiệu quang tại đầu ra của hai bộ MZM đƣợc điều chế cầu phƣơng (vuơng gĩc) cộng lại và đƣa vào sợi quang để truyền đi. Quá trình đƣợc thực hiện nhƣ sau [5]:
(1)Tín hiệu quang do một Lazer Diot LD1 sinh ra đƣợc đƣa đến hai bộ MZM
(2)Tín hiệu quang trên mỗi MZM tƣơng ứng là eLI và eLQ đĩng vai trị là sĩng mang quang, các sĩng mang này đƣợc điều chế pha để mang tín hiệu I/Q tƣơng ứng,
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 49 ngõ ra mỗi bộ MZM chính là tín hiệu quang đã đƣợc điều chế pha.
(3)Một trong hai bộ MZM, tín hiệu sau đĩ đƣợc dịch 1 gĩc 900, cộng với tín hiệu của bộ MZM cịn lại và phĩng vào sợi quang.
Hình 4. 3 Mơ hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM 4.4 BỘ THU QUANG
Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trƣớc hết sẽ đƣợc 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 trƣớc hết đƣợc trộn với sĩng quang phát ra từ bộ giao động nội, rồi sau đĩ tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này đƣợc chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector. Cấu trúc bộ thu quang coherrent đƣợc mơ tả rõ hơn trong Hình 4.4 [5]. Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp đƣợc mơ tả nhƣ 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 đƣợc chia làm hai nhánh, pha của một trong hai nhánh sẽ đƣợc lệch đi 900
(2)Tín hiệu quang nhận đƣợc cũng đƣợc chia làm hai nhánh.
(3)Nhánh thứ nhất của tín hiệu quang nhận đƣợc sẽ trộn với sĩng quang đã bị lệch 900 do LD2 phát ra, sau đĩ đƣợc dị bởi 2 photo-detector. Dịng điện sau mỗi photo-detector sẽ đƣợc tổng hợp lại và trả về thành phần I tƣơng ứng bên phát. (4)Nhánh thứ hai của tín hiệu quang nhận đƣợc sẽ trộn với sĩng quang do LD2 phát
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 50 ra, sau đĩ cũng đƣợc dị bởi 2 photo-detector. Dịng điện sau mỗi photo-detector sẽ đƣợc tổng hợp lại và trả về thành phần Q tƣơng ứng bên phát.
Hình 4. 4 Mơ hình bộ thu quang kết hợp
Hai thành phần I/Q lúc này là tín hiệu điện trong miền thời gian. Sẽ đƣợc xử lý hồn tồn trong miền điện.
4.5 HỆ THỐNG COHERRENT OFDM (CO-OFDM)
CO-OFDM là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM trƣớc khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền trên sợi quang. Mơ hình hệ thống CO-OFDM gồm cĩ 5 khối cơ bản nhƣ trong Hình 4.5 [5] tr.264. Khối đầu tiên là khối RF OFDM transmiter, cĩ nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện. Khối thứ hai là khối RF-to-optical up- converter, là khối điều chế tín hiệu quang hay nĩi cách khác, đây chính là khối chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang với thành phần chính của khối này là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (MZM). Tiếp theo là kênh truyền sợi quang, cĩ chức năng truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Khi tín hiệu truyền trên sợi quang, tín hiệu sẽ bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố sợi quang nhƣ tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến… Khối thứ tƣ là khối optical-to-RF down converter với nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang nhận đƣợc trở lại thành tín hiệu điện. Và cuối cùng là khối RF OFDM receiver,
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 51 nhằm giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tƣơng ứng với bên truyền.
Hình 4. 5 Mơ hình hệ thống CO-OFDM 4.5.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang
Tín hiệu OFDM trƣớc khi đi vào bộ MZM [5] tr. 32:
( ) ∑ ∑ ( ) (4. 1) ( ) ( ) với (4. 2) ( ) { ( ) ( ) (4. 3)
Trong đĩ, ck,i là symbol dữ liệu thứ i tại sĩng mang con thứ k. sk là sĩng mang con thứ k. lần lƣợt là thời gian 1 symbol OFDM, chiều dài khoảng thời gian bảo vệ và thời gian cĩ ích của một symbol OFDM. fk là tần số sĩng mang con thứ k, các sĩng mang con này phải thỏa điều kiện trực giao tức [5] tr.33:
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 52 Tín hiệu quang tại ngõ ra của bộ chuyển đổi từ miền điện sang miền quang là tổng của tín hiệu tại ngõ ra của hai bộ MZM, đƣợc biểu diễn [5] tr.266:
( ) ( ( )
) ( ) . ( )
/ ( ) (4. 5) Trong đĩ, VI, VQ lần lƣợt là thành phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM. VDC là điện thế phân cực bộ MZM. lần lƣợt là tần số gĩc và pha của tín hiệu quang do Lazer LD1 phát ra. là điện thế phân cực nữa bƣớc sĩng (half-wave switching voltage).
Trong điều kiện phân cực tối ƣu tại điểm “null”, VDC = thì phƣơng trình (4.5) trở thành [5] tr.268:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) (4. 6)
Trong đĩ: s(t) = VI + jVD là tín hiệu liên tục OFDM ở băng tần cơ sở. M = là chỉ số điều chế. A là biên bộ sĩng quang do Lazer LD1 phát ra.
Phƣơng trình (4.6) cho ta thấy phổ tần của tín hiệu liên tục OFDM đƣợc đƣa lên một tần số trung tâm ( ) do Lazer phát ra.
4.5.2 Kỹ thuật tách sĩng Coherrent
Nhƣ 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 trƣớc tiên đƣợc đƣa lên tần số trung tần fLO1 ở miền điện, sau đĩ tín hiệu OFDM trung tần đƣợc điều chế trên sĩng mang quang nhờ một bộ MZM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM trƣớc tiên đƣợc chuyển về tín hiệu điện OFDM ở trung tần fLO2. Sau đĩ việc tách ra các đƣờng I/Q đƣợc thực hiện ở miền điện. Trong kỹ thuật tách
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 53 sĩng homodyne, sĩng mang quang sử dụng một bộ điều chế điện-quang bao gồm hai bộ MZM riêng biệt đƣợc sử dụng để điều chế hai phần I/Q của tín hiệu OFDM. Ở phía thu, tín hiệu quang OFDM đƣợc 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 4.6 mơ tả nguyên tắc tách sĩng coherrent kiểu homodyne. Ta thấy, tách sĩng coherrent đƣợc thực hiện nhờ bộ ghép lai quang 900 (90 degree optical hybrid) cĩ 6 cổng (port) và 4 photo-detector đƣợc ghép thành hai bộ tách sĩng cân bằng (balanced photo-detector). Mục đích tách sĩng coherrent là (1) khơi phục thành phần I/Q từ sĩng quang tới và (2) tối thiểu hoặc loại bỏ nhiễu mode chung (common mode noise) [5] tr.270.
Bộ ghép lai quang bao gồm 2 ngõ vào và 4 ngõ ra. Hai ngõ vào là tín hiệu quang tới ES và tín hiệu quang do bộ giao động nội tạo ra ELO. 4 ngõ ra sẽ tạo sự lệch pha 900 cho hai thành phần I/Q và 1800 cho tách sĩng sĩng cân bằng.
Tín hiệu ra tại 4 ngõ E1-4 cĩ thể đƣợc biểu diễn [5] tr.270: √ , - (4. 7) √ , - (4. 8) √ , - (4. 9) √ , - (4. 10) Thành phần I đƣợc tách ra nhờ bộ tách sĩng cân bằng thứ nhất (PD1 và PD2). Dịng điện tƣơng ứng của thành phần I [5] tr.271:
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 54 Hình 4. 6 Tách sĩng Cohereent Homodyne
Thành phần Q đƣợc tách ra nhờ bộ tách sĩng cân bằng thứ hai (PD3 và PD4). Dịng điện tƣơng ứng của thành phần Q [5] tr.271:
( ) * + (4. 12)
Vậy dịng điện tổng cộng bao gồm thành phần I/Q tại ngõ ra [5] tr.271: ̃( ) ( ) ( ) * + (4. 13) 4.6 TỈ SỐ BIT LỖI BER TRONG HỆ THỐNG CO-OFDM
Giả sử ta cĩ hệ thống CO-OFDM lý tƣởng, sử dụng phép điều chế QPSK, tỉ số bit lỗi BER đƣợc tính [5] tr.272:
(√ ) (4. 14)
(4. 15)
Với là tỉ số tín hiệu trên nhiễu. , lần lƣợt là phƣơng sai tƣơng ứng của tín hiệu thu đƣợc và phƣơng sai của nhiễu.
Giả sử Lazer ở đầu phát và đầu thu cĩ độ rộng phổ vơ cùng bé (xấp xĩ 0). Do hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sĩng kết hợp, nên nhiễu chủ yếu gây ra là nhiễu đập phát xạ
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 55 tự phát ASE do bộ khuếch đại quang EDFA gây ra. BER, hệ số chất lƣợng Q, tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio), và của hệ thống CO- OFDM dùng phép điều chế QPSK trong điều kiện lý tƣởng cho bởi [5] tr.272:
(4. 16)
(√ ) (4. 17)
. / (4. 18)
Trong đĩ: là băng thơng nhiễu ASE, R = N. là tổng tốc độ truyền của hệ thống (băng thơng tín hiệu OFDM).
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 56
CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
Trong chƣơng này, với cơng cụ Matlab Simulink 7.0, đề tài đi vào xây dựng mơ phỏng hệ thống CO-OFDM, phân tích đánh giá chất lƣợng của hệ thống khi đƣa kỹ thuật ghép kênh OFDM vào kênh truyền quang. Bên cạnh đĩ, đề tài cịn xây dựng hệ thống đơn sĩng mang truyền trên kênh truyền quang với cùng tốc độ với hệ thống CO-OFDM để cĩ sự so sánh chất lƣợng của hệ thống khi áp dụng hai kỹ thuật này. Đề tài cịn thực hiện các cải tiến nhƣ là thay đổi số sĩng mang cĩ ích, giảm số pilot sử dụng nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ của hệ thống.
Xuyên suốt mơ phỏng, đề tài sử dụng cơng cụ giản đồ mắt (eye diagram) để đánh giá chất lƣợng hệ thống, đƣa ra cách ƣớc lƣợng BER một cách khá chính xác từ eye diagram. Thơng thƣờng, trong hệ thống thơng tin quang, tỉ số bit lỗi BER phải đạt 10-9
trở xuống mới đạt yêu cầu, việc mơ phỏng một khối lƣợng bit truyền khổng lồ (hàng tỉ đến hàng ngàn tỉ bit) là điều khơng thể và rất mất thời gian do đĩ cách ƣớc lƣợng BER theo nguyên tắc xác suất từ eye diagram là cần thiết.
5.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM VÀ CÁC THAM SỐ MƠ PHỎNG
Mơ hình tổng quát hệ thống CO-OFDM, cũng nhƣ các hệ thống truyền thơng cổ điển khác, bao gồm ba khối cơ bản: (1) bộ phát, (2) kênh truyền và (3) bộ thu đƣợc mơ hình hĩa nhƣ Hình 5.1.
Bộ phát Transmitter_IQ Modulator 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 đƣa vào sợi quang. Kênh truyền quang Fiber_Propagation truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Khoảng cách truyền dẫn đƣợc mơ phỏng trong đề tài là 80x2 km (80 km sợi SMF và 80 km sợi DCF) với suy hao 0.2 dB/km. Và khối cuối cùng là bộ nhận Receiver_coherrent RX nhằm chuyển tín hiệu OFDM ở miền quang trở về lại tín hiệu OFDM ở miền điện nhờ các photo-detector. Sau đĩ đƣợc giải điều chế OFDM trả lại dữ liệu ban đầu. Ta sẽ đi vào phân tích và thiết kế chi tiết các khối này.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 57 Hình 5. 1 Mơ hình hệ thống CO – OFDM
5.1.1 Bộ phát
Nhƣ ta đã khảo sát ở phần lý thuyết, bộ phát cĩ nhiệm vụ điều chế tín hiệu trong miền điện sử dụng kỹ thuật OFDM, chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang để đƣa vào sợi quang, mơ hình mơ phỏng bộ phát đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.2.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 58 Nhìn vào mơ hình ta thấy cĩ hai khối cơ bản: khối thứ nhất là khối ODFM, khối này cĩ nhiệm vụ tạo ra tín hiệu OFDM trong miền RF. Khối thứ hai là các bộ điều chế ngồi Mach-Zehnder để điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang tƣơng ứng với hai đƣờng I – Q, sau đĩ một trong hai đƣờng I hoặc Q đƣợc dịch pha 900, cộng lại và phĩng vào sợi quang.
Tín hiệu OFDM trong miền điện.
Phƣơng pháp điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện để đƣa vào kênh truyền quang thực tế khơng khác gì so với điều chế OFDM đã biết trong các hệ thống vơ tuyến. Nhƣng so với các hệ thống vơ tuyến thì rõ ràng tốc độ ra của tín hiệu OFDM cao hơn gấp hàng trăm lần. Hình 5.3 ta xây dựng mơ hình điều chế tín hiệu OFDM.
Hình 5. 3 Điều chế tín hiệu OFDM
Các tham số thiết kế: khối data source thiết lập thời gian lấy mẫu là 4.1667e-011 (s) tức fs = 24 Ghz, bộ điều chế số ánh xạ chịm sao (IQ mapper) sử dụng phép điều chế QAM. Ánh xạ chịm sao là phƣơng pháp chuyển chuỗi dữ liệu cĩ m bit thành một điểm a + jb. Trong đĩ, số bit m phụ thuộc vào phép ánh xạ. Trong hệ thống OFDM, ánh xạ
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 59 chịm sao chỉ là việc chuyển chuỗi bit để cho phép truyền nhanh hơn. Nhƣ vậy tốc độ hệ thống đạt đƣợc là 24x2 = 48 Gb/s.
Hình 5. 4 Tốc độ lấy mẫu thiết lập 24 GHz [Matlab Simulink]
Hình 5. 5 Tốc độ hệ thống là 48 Gb/s sử dụng phép điều chế QAM
Bộ điều chế tín hiệu OFDM đƣợc thiết kế nhƣ Hình 5.6 trong đĩ số điểm lấy IFFT là 256. Một symbol OFDM xây dựng theo chuẩn 802.16 đƣợc mơ tả bao gồm: {28 số zero,100 data, 1 số zero (DC), 100 data, 27 số zero}. Trong đĩ 8 data là pilot (là dữ
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 60 liệu đã đƣợc biết trƣớc, chèn vào giúp đầu thu thực hiện các thuật tốn cân bằng kênh truyền) đƣợc chèn vào ở các vị trí c-88, c-63, c-38, c-13, c13, c38, c63 và c88.
Hình 5. 6 Sử dụng IFFT để tạo tín hiệu OFDM [Matlab Simulink]
Nhƣ vậy, tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT bao gồm nhiều Symbol, mỗi Symbol bao gồm 256 mẫu rời rạc. Trong đĩ cĩ 192 data, 8 pilot và 56 zero đƣợc chèn hai biên mỗi Symbol. Hình 5.7 là cấu trúc tín hiệu trƣớc khi vào bộ IFFT.