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.
Chiều dài khoảng bảo vệ bằng ¼ chiều dài symbol OFDM sau bộ IFFT tức là ta copy 64 mẫu cuối cùng của Symbol OFDM sau bộ IFFT làm tiền tố vịng CP. Nhƣ vậy, tín hiệu tại ngõ ra out ở Hình 5.8 là tín hiệu gồm 320 giá trị rời rạc trong miền thời gian (sau khi đã thêm khoảng CP).
Tín hiệu rời rạc sau đĩ đƣợc biến đổi thành tín hiệu liên tục để đƣa vào bộ điều chế MZM (Hình 5.9).
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 61 Hình 5. 7 Phần thực và phần ảo của tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 62 Hình 5. 9 Phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM
Bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM
Tín hiệu OFDM trong miền RF sau đĩ đƣợc đƣa vào bộ điều chế quang một cách tuần tự để chuyển thành tín hiệu quang và truyền đi trong sợi quang. Mỗi phần I/Q của tín hiệu OFDM đƣợc điều chế quang bởi bộ điều chế ngồi MZM. Bộ điều chế ngồi MZM hoạt động ở chế độ phân cực đơi sẽ làm nhiệm vụ điều chế tín hiệu điện OFDM thành tín hiệu quang. Cấu trúc bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.10.
Nhƣ đã đề cập ở phần lý thuyết, bộ MZM bao gồm hai nhánh, cấu trúc mỗi nhánh đƣợc mơ phỏng nhƣ Hình 5.11. Tín hiệu sĩng mang quang đƣợc phát liên tục (CW), tín hiệu tại ngõ ra mỗi nhánh chính là sĩng mang quang đã bị dịch pha bởi hai bộ dịch pha (phase shift block), Hình 5.12 là cấu trúc bộ dịch pha.
Bộ Mach-Zehnder đƣợc phân cực hoạt động theo chế độ pull-push (kéo-đẩy) nhằm giảm thiểu hiện tƣợng Chirp gây ra [13] tr.10, Vbias nhánh trên và Vbias nhánh dƣới phải bằng nhau về độ lớn nhƣng trái dấu nhau, và Vdata của nhánh trên cũng bằng Vdata
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 63 của nhánh dƣới nhƣng trái dấu nhau (hay nĩi cách khác là lệnh nhau 1800). Theo phần lý thuyết thì ngõ ra của bộ MZM chính là tổng tín hiệu ở hai nhánh đƣợc dịch pha theo tín hiệu ngõ vào.
Hình 5. 10 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 64 Hình 5. 12 Bộ dịch pha – phase shift block
Vậy ta cĩ [5] tr.63:
( ) 0 . ( )/ . ( )/1 (5. 1) Với Vup (t) = Vdata (t) - Vbias là điện thế phân cực tổng cộng nhánh phía trên Vdown (t) = - Vdata(t) + Vbias là điện thế phân cực tổng cộng nhánh phía trên.
Nếu Vbias = ( OOK hoặc BPSK), khi đĩ ngõ ra [5] tr.63:
( )
( ) . ( )
/ (5. 2)
Tín hiệu ngõ ra chính là hàm truyền của bộ MZM nhân với tín hiệu ngõ vào. 5.1.2 Mơ phỏng kênh truyền sợi quang
Các tham số kênh truyền
Kênh truyền sợi quang bao gồm nhiều chặng (span) đƣợc ghép nối với nhau, mỗi một chặng bao gồm sợi quang đơn mode chuẩn SFM cĩ chiều dài là 80 km, bộ suy hao Attenuation mơ tả các sự mất mát do các mối nối tạo ra, sợi bù tán sắc DCF cĩ chiều dài là 80 km nhằm bù tán sắc do sợi SFM gây ra, bộ khuếch đại quang sợi EDFA để bù suy hao do sợi quang gây ra (suy hao tín hiệu = 0.2x80x2 = 16x2 dB đƣợc bù hồn tồn với 2 bộ EDFA với độ lợi G = 16 dB). Thơng thƣờng sợi DCF khơng đƣợc rải ra mà cuộn thành một bĩ, tín hiệu truyền trên sợi SFM dài khoảng 80 km đến trạm lặp và đƣợc ghép nối với sợi DCF, sau đĩ lại đƣợc ghép nối với sợi SFM để truyền tiếp. Mơ hình xây
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 65 dựng để mơ phỏng kênh truyền quang nhƣ Hình 5.13.
Hình 5. 13 Mơ hình kênh truyền quang
Nhƣ vậy một chặng dài 160 km, việc tìm đƣợc dạng sĩng tín hiệu quang sau khi lan truyền từ ngõ vào cho đến ngõ ra của sợi quang là một việc quan trọng để xác định đƣợc khoảng cách cần thiết lắp đặt các trạm lặp, các bộ khuếch đại… Tuy nhiên, làm đƣợc điều đĩ thật khơng dễ dàng, bởi tín hiệu lan truyền trên sợi quang ngồi bị ảnh hƣởng bởi các hiệu ứng tuyến tính cịn bị tác động mạnh bởi các hiệu ứng phi tuyến khác nhƣ đã trình bày ở chƣơng 3.
Hệ số nhiễu NF của bộ EDFA là 3 dB, với cấu trúc tán sắc đƣợc bù hồn tồn trong mỗi chặng 160 km:
DSMFLSMF + DDCFLDCF = 17 ( ps/nm.km)x80 (km)+(-17(ps/nm.km)x80(km)=0.
Tuy nhiên, trong mơ phỏng, ta sẽ cố tình làm cho chiều dài của sợi DCF ngắn lại, mục đích là để tạo ra độ chênh lệch tán sắc khi khảo sát hệ thống.
Mơ hình hĩa kênh truyền bằng giải thuật S-SSF
Phƣơng trình sĩng ánh sáng lan truyền trong sợi quang cĩ đƣờng bao tuân theo phƣơng trình Schrưdinger phi tuyến (phƣơng trình NLSE) nhƣ sau [11]:
| | (5. 3)
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 66 theo trục z, là suy hao sợi quang. là độ chênh lệch trể nhĩm (Differential Group Delay - DGD) đƣợc bỏ qua đối với sợi đơn mode SMF. là thừa số tán sắc bậc hai, bậc ba của tán sắc vận tốc nhĩm (GVD). Và là hệ số phi tuyến của sợi quang. Từ phƣơng trình sĩng (5.3) ta thấy khi truyền trong sợi quang, tín hiệu quang sẽ bị ảnh hƣởng bởi: (1) suy hao ( ), (2) tán sắc màu ( ), (3) tán sắc bậc cao (bậc 3- ) và (4) tự điều pha SPM ( ). Ta tạm bỏ qua các hiệu ứng phi tuyến khác nhƣ XPM, FMW…
Việc giải phƣơng trình vi phân bậc hai (5.3) để tìm đƣợc dạng sĩng đầu ra là điều quan trọng nhƣng khơng hề đơn giản. Trên thế giới đã cĩ nhiều phƣơng pháp để giải phƣơng trình này song tất cả đều chấp nhận một độ sai số nhất định [9]. Cách tiếp cận phổ biến mà đề tài tham khảo cũng nhƣ sử dụng để mơ hình hĩa sợi quang là sử dụng phép biến đổi Fourier chia bƣớc (split-step Fourier method) để tìm tín hiệu quang tại ngõ ra theo phƣơng pháp số. Ý tƣởng của phƣơng pháp này là chia sợi quang thành nhiều đoạn cĩ chiều dài nhỏ dz trong khoảng 100 m đến 500 m, trên những đoạn nhỏ đĩ, giả sử rằng hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến tác động độc lập với nhau. Phƣơng trình (5.3) cĩ thể đƣợc viết lại: ( ̂ ̂) (5. 4) Trong đĩ ̂ là tốn tử tuyến tính (5. 5) ̂ | | là tốn tử phi tuyến. (5. 6) , với là vận tốc nhĩm.
Hai xấp xỉ đƣợc dùng phổ biến đĩ là chia bƣớc bất đối xứng (asymmetric split step Fourier– A-SSF) và chia bƣớc đối xứng (symmetric split step Fourier – S- SSF), phƣơng pháp S- SSF cĩ độ chính xác cao hơn A- SSF cho nên ngƣời ta hay sử dụng phƣơng pháp này hơn. Hình 5.14 [18] [19] mơ tả phƣơng pháp S- SSF. Ý tƣởng của phƣơng pháp S- SSF là chia đoạn nhỏ dz thành 3 phần: hai phần tuyến tính ở hai bên và phần phi tuyến ở chính giữa. Đối với phần tuyến tính thứ nhất, S- SSF xem xét tác động của tuyến tính trong miền tần số, sau đĩ chuyển kết quả về miền thời gian, tốn tử phi
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 67 tuyến sẽ tác động vào xung quang này trong miền thời gian, sau cùng ở phần tuyến tính thứ hai thì xung quang lại bị tốn tử tuyến tính tác động trong miền tần số. Sau khi tìm