Nhƣ đã đề cập, việc ƣớc lƣợng BER theo nguyên tắc xác suất là cần thiết đối với các hệ thống cĩ BER từ 10-9 trở xuống. Ta cĩ thể ƣớc lƣợng BER bằng cả định tính lẫn định lƣợng từ giản đồ mắt (eye diagram). Sau đây đề tài đi vào phân tích cả hai phƣơng pháp để cĩ sự so sánh giữa hai phƣơng pháp này.
Định tính
Việc tính tốn BER dựa vào nguyên tắc xác suất mang lại tính chính xác cao, tuy nhiên địi hỏi một khối lƣợng tính tốn phức tạp và tƣơng đối lớn. Trong thực tế, đối với các hệ thống cĩ đáp ứng BER < 10-9 thì việc tính tốn ra một con số BER cụ thể khơng thật sự quá quan trọng, do đĩ ngƣời ta cĩ thể tính hệ số Q từ giản đồ mắt với vài phép tính đơn giản để ƣớc lƣợng BER tƣơng ứng nhờ cơng thức (5.10).
Từ giản đồ mắt nhƣ ở Hình 5.26, ta cĩ thể tính hệ số chất lƣợng Q một cách gần đúng nhƣ sau:
(5. 10)
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 76 Hình 5. 25 Ƣớc lƣợng BER từ giản đồ mắt Định lƣợng Nhắc lại cơng thức (3.27) và (3.28): . √ / Với là hệ số chất lƣợng.
Trong đĩ: lần lƣợt là trị trung bình và phƣơng sai của bit „1‟ và bit „0‟ tƣơng ứng.
Hình 5.25 mơ tả mối quan hệ giữa hệ số chất lƣợng Q với BER. Đối với các hệ thống truyền thơng quang, BER thấp nhất đạt 10-9 tƣơng ứng Q=6, gần đúng thì khi Q tăng lên 1 thì BER sẽ giảm thêm 10-3
.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 77 5.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
5.2.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s
Đây chính là hệ thống chính mà đề tài mơ phỏng. Mơ hình của cả hệ thống đƣợc tổng quát hĩa và đƣợc xây dựng nhƣ đã trình bày trong phần 5.1
Các tham số thiết kế:
Bộ phát: tốc độ dữ liệu 24 Gb/s, sử dụng phép điều chế QAM ở bộ ánh xạ chịm sao => tốc độ hệ thống là 48 Gb/s.
Bộ tạo tín hiệu OFDM: số sĩng mang con 256 (số điểm lấy FFT) bao gồm 192 dữ liệu cĩ ích, 8 pilot, 57 „zero‟ ở hai đầu và 1 „zero‟ ở giữa. Chiều dài khoảng CP = 1/4 chiều dài symbol OFDM sau bộ FFT tức là (256)/4 = 64. Vậy chiều dài tổng cộng một Symbol OFDM là 320 điểm rời rạc.
Kênh truyền quang: Tất cả các mơ hình trong đề tài đều sử dụng kênh truyền quang đƣợc mơ hình hĩa dựa trên các tính chất của sợi đơn mode chuẩn SMF. Các tham số đã đƣợc liệt kê trong phần 5.2.3
Hình 5.27 và Hình 5.28 là giản đồ chịm sao và giản đồ mắt tại đầu thu.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 78 Hình 5. 28 Giản đồ mắt tại bộ thu
Theo các phƣơng pháp tính BER từ (3.27) và (3.28), ta tính ra BER tƣơng ứng khoảng 2.15e-93.
Ta nhận xét rằng mặc dầu chƣa sử dụng các thuật tốn sửa lỗi, các thuật tốn cân bằng kênh truyền phức tạp (nội suy bậc cao, thuật tốn LSM…) nhƣng tỉ số bit lỗi BER là rất thấp đối với hệ thống CO - OFDM. BER sẽ cịn đạt thấp hơn nữa nếu nhƣ các kỹ thuật cân bằng tiên tiến cũng nhƣ cĩ kèm thêm các kỹ thuật sửa lỗi.
5.2.2 Hệ thống đơn sĩng mang tốc độ 48 Gb/s
Mục đích của việc xây dựng hệ thống đơn sĩng mang với tốc độ dữ liệu bằng chính tốc độ dữ liệu của hệ thống OFDM truyền trên cùng một sợi quang nhằm cho ta cái nhìn định tính về sự so sánh giữa hai hệ thống đơn sĩng mang và đa sĩng mang trực giao.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 79 đã thiết kế trong hệ thống CO – OFDM. Tất nhiên so với hệ thống CO – OFDM thì hệ thống đơn sĩng mang khơng cịn các khối điều chế tín hiệu OFDM. Dữ liệu sau khi đƣợc ánh xạ chịm sao sẽ đƣợc chuyển sang tín hiệu tƣơng tự và sau đĩ điều chế sang tín hiệu ở miền quang để truyền đi.
Hình 5.29 là kết quả cho ta thấy sự so sánh về chất lƣợng giữa hệ thống CO-OFDM và hệ thống dùng kỹ thuật đơn sĩng mang thay đổi theo độ lệch chiều dài của sợi DCF với sợi SMF. Mục đích ta giảm dần chiều dài sợi DCF là để tăng độ tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Ta thấy, khi độ lệch này dƣới 7 km thì chất lƣợng của cả hai hệ thống đều chấp nhận đƣợc (CO-OFDM khoảng 9.39E-37, hệ thống đơn sĩng mang khoảng 6.23E-09). Nhƣng khi độ lệch này lớn hơn 7 km thì chất lƣợng hệ thống đơn sĩng mang đã khơng cịn duy trì. Cụ thể, khi độ lệch giữa DCF và SMF là 8 km thì BER hệ thống đơn sĩng mang là 2.77E-07 trong khi hệ thống CO-OFDM vẫn đạt mức 1.66E-09 khi độ lệch chiều dài là 19 km. Qua đĩ ta thấy, CO-OFDM cĩ khả năng chống lại tán sắc tốt hơn so với kỹ thuật đơn sĩng mang.
Hình 5. 29 Sự phụ thuộc BER của hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sĩng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 80 Nhận xét: khi truyền cùng một tốc độ bit nhƣ nhau giữa hai hệ thống đơn sĩng mang so sánh với đa sĩng mang trực giao trên cùng một sợi quang thì ta thấy ảnh hƣởng của sợi quang lên hệ thống đơn sĩng mang là đáng kể. Hệ thống CO-OFDM do cĩ sử dụng kỹ thuật OFDM nên thời gian mỗi kí tự sẽ đƣợc kéo dài hơn 256 lần so với hệ thống đơn sĩng mang. Do đĩ, ảnh hƣởng bởi tán sắc do sợi quang gây ra đƣợc giảm tối thiểu.
Đối với hệ thống hoạt động với tốc độ cao (khoảng > 40 Gb/s) thì kỹ thuật OFDM tỏ rõ thế mạnh của nĩ so với kỹ thuật đơn sĩng mang trong cùng một điều kiện truyền dẫn nhƣ nhau. Với CO-OFDM, ta cĩ thể truyền dẫn với cự ly gần 20 km mà khơng cần đến sợi DCF để bù trong khi đĩ, với kỹ thuật đơn sĩng mang thì khoảng cách này chỉ khoảng 5 km. Hình 5.30 là kết quả BER đo đạc đƣợc của hai hệ thống CO-OFDM và đơn sĩng mang khi khơng sử dụng sợi bù tán sắc DCF. Nhìn vào Hình 5.31 ta cũng thấy, đối với hệ thống đa sĩng mang OFDM thì khoảng cách truyền dẫn cĩ thể đạt đƣợc là 19 km với BER khoảng 1.37E-09 (sợi SFM cĩ hệ số tán sắc D = 17 ps/nm.km) mà khơng cần bất cứ một kỹ thuật bù tán sắc nào. Trong khi đĩ, đối với hệ thống đơn sĩng mang thì khoảng cách này đạt đƣợc là khoảng 7 km với BER khoảng 3.22E-09.
Hình 5. 30 BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn khơng áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sĩng mang
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 81 5.2.3 Hệ thống CO – OFDM loại bỏ khoảng bảo vệ
Nhƣ đã đề cập ở phần giới thiệu đề tài, hiện nay đã cĩ nhiều ý tƣởng nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất sử dụng phổ tần số của hệ thống CO – OFDM. Việc sử dụng hai khoảng bảo vệ ở hai đầu Symbol OFDM với các sĩng mang con „null‟ trở nên vơ ích khi truyền tín hiệu trên kênh truyền quang [14] bởi kênh truyền quang cĩ tính chất biến đổi chậm và tƣơng đối ổn định. Ngồi ra, ý tƣởng cĩ thể bỏ bớt một số pilot phục vụ việc cân bằng kênh cũng giúp tăng hiệu suất hệ thống. Vì kênh truyền quang là kênh truyền cố định, biến đổi chậm và tƣơng đối ổn định theo thời gian nên việc phải thƣờng xuyên gửi kèm tín hiệu pilot truyền cùng dữ liệu cĩ ích là khơng cần thiết. Việc ƣớc lƣợng, cân bằng kênh truyền quang cĩ thể chỉ cần thực hiện một lần và nhƣ vậy chỉ cần „huấn luyện‟ trong một vài symbol ban đầu là đủ. Đề tài xây dựng một hệ thống với tín hiệu OFDM trong miền điện khơng cịn các khoảng „zero‟ tại hai đầu mỗi symbol.
Các tham số thiết kế: tƣơng tự nhƣ các tham số đã thiết kế trong hệ thống CO- OFDM nhƣng tốc độ truyền khi này đã đƣợc tăng lên 248/192 lần. Nhƣ vậy, cùng một băng thơng nhƣng tốc độ của hệ thống OFDM khi khơng cĩ hai khoảng „zero‟ ở hai đầu đã đƣợc tăng lên là 48*248/192 = 62 Gb/s. Chiều dài đoạn CP trong hệ thống CO- OFDM đã loại bỏ „zero‟ cũng bằng ¼ chiều dài symbol OFDM tại ngõ ra bộ IFFT.
Về cơ bản, mơ hình hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ „zero‟ cũng giống hệ thống CO-OFDM khi cịn „zero‟. Chỉ cĩ các thứ tự chèn pilot bị thay đổi, cũng nhƣ khơng cần phải cĩ các bộ loại bỏ „zero‟ tại bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong bộ thu.
Một số kết quả mà đề tài thu đƣợc. Hình 5.32 là giản đồ chịm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ „zero‟. So với hệ thống CO-OFDM đã xét trên thì chất lƣợng của hệ thống này cũng chấp nhận đƣợc.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 82 Hình 5. 31 Giản đồ chịm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ các
khoảng „zero‟
Tuy nhiên, khả năng bị nhiễu ISI do tán sắc gây ra ở hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ „zero‟ lại kém hơn hệ thống CO-OFDM khi cĩ khoảng „zero‟. Hình 5.32 cho ta thấy BER của hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ khoảng bảo vệ tăng nhanh theo chiều dài sợi SMF. Khi chiều dài sợi SMF là 7 km thì BER hệ thống CO-OFDM đã loại bỏ khoảng bảo vệ đạt 4.77E-23. Nhƣng khi chiều dài sợi SMF là 8 km thì hệ thống này đã khơng cịn hoạt động tốt đƣợc nữa, lúc này BER đã tăng lên 4E-03. Trong khi ở hệ thống CO- OFDM thì nhƣ đã xét, khoảng cách truyền đƣợc là 19 km với BER đạt 1.37E-09.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 83 Hình 5. 32 BER của hai hệ thống CO-OFDM và CO-OFDM đã bỏ khoảng bảo vệ
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 84
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong chƣơng này, đề tài đi vào tổng kết các kết quả đã đạt đƣợc và đánh giá các kết quả đã đạt đƣợc. Đồng thời, đề tài đƣa ra một số hƣớng nghiên cứu để cĩ thể phát triển tiếp.
6.1 KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện, phần nào đề tài đã phản ánh đƣợc ƣu điểm của kỹ thuật OFDM khi truyền trên kênh truyền sợi quang, thực hiện mơ phỏng hệ thống CO-OFDM tƣơng đối hồn chỉnh nhờ sử dụng cơng cụ Matlab Simulink 7.0.
Hệ thống CO-OFDM hồn chỉnh mà đề tài xây dựng cĩ tốc độ bit đạt 48 Gb/s với hệ thống truyền dẫn dài 80x2 km, đây chƣa phải là tốc độ bit quá lớn mà kênh truyền quang cĩ thể mang lại song phần nào nĩ cũng phản ánh đƣợc những ƣu điểm vƣợt trội khi sử dụng kênh truyền sợi quang thay vì cáp đồng hoặc kênh truyền vơ tuyến.
Bên cạnh đĩ, đề tài cũng xây dựng đƣợc các hệ thống CO-OFDM „nâng cấp‟ so với hệ thống CO-OFDM cơ bản nhƣ là tăng hiệu suất sử dụng tần số bằng cách cắt giảm các khoảng lặng „zero‟ khơng cần thiết ở hai bên symbol OFDM mà vẫn đạt đƣợc chất lƣợng yêu cầu.
Đề tài cũng kiểm chứng cách ƣớc lƣợng BER thành cơng theo nguyên tắc xác suất. Sử dụng nĩ làm cơng cụ đo đạc chất lƣợng hệ thống khi thay đổi các tham số thiết kế kênh truyền sợi quang.
Cĩ thể sử dụng mơ hình mơ phỏng nhƣ là một cơng cụ để kiểm chứng lại lý thuyết giúp cho việc học thêm phần sinh động và hiểu đƣợc bản chất của vấn đề một cách rõ ràng nhất.
Tuy nhiên, đây hồn tồn là một hƣớng nghiên cứu khá mới. Hiện tại trên thế giới chƣa cĩ một bản thƣơng mại nào chuẩn hĩa dùng hệ thống CO-OFDM [5]. Tất cả chỉ đang cịn dừng lại ở mức lý thuyết, mơ phỏng và một số kết quả khả quan thu đƣợc
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 85 trong các phịng thí nghiệm [5]. Điều này, phần nào cũng gây khĩ khăn cho việc phát triển đề tài, đƣa đề tài đi vào ứng dụng thực tế.
6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Do thời gian thực hiện đề tài tƣơng đối ngắn, đề tài lại mang tính chất lý thuyết, cộng thêm kiến thức để thực hiện đề tài là tƣơng đối rộng và mới mẻ, lạ lẫm nên vẫn cịn một số điểm mà đề tài chƣa thể hiện đƣợc. Đĩ là đề tài chƣa cho thấy đƣợc kỹ thuật OFDM gĩp phần chống lại tán sắc phân cực mode PMD. Kênh truyền quang mà đề tài xây dựng chỉ là kênh truyền đơn mode. Chƣa đƣa vào các kỹ thuật sửa lỗi tiên tiến. Tốc độ hệ thống mà đề tài xây dựng chƣa cao, cự ly truyền dẫn cịn ngắn, cũng chƣa đƣa vào các kỹ thuật cân bằng kênh tại đầu thu. Do đĩ, đề tài đƣa ra một số hƣớng cĩ thể tiếp tục đƣợc nghiên cứu và phát triển:
(1)Xây dựng kênh truyền quang cĩ 2 mode lan truyền để thấy đƣợc khả năng chống lại tán sắc phân cực mode PMD do kênh truyền sợi quang gây ra của kỹ thuật OFDM [15]
(2)Nâng cao tốc độ truyền dẫn bằng cách đƣa kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sĩng quang vào hệ thống.
(3)Tính tốn để ghép thêm nhiều chặng (span) nhằm nâng cao cự ly truyền dẫn. (4)Đƣa vào hệ thống các kỹ thuật sửa lỗi, cân bằng kênh tiên tiến nhằm nâng cao
hơn nữa tốc độ truyền cũng nhƣ cự ly truyền dẫn.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Vũ Văn San, Hệ thống thơng tin quang, NXB Bƣu điện, Hà Nội, 2008
[2] ThS. ĐẶNG LÊ KHOA, luận văn ThS Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, Khoa ĐT-VT, ĐH KHTN Tp HCM, 2009
[3] ThS. Nguyễn Anh Vinh, luận văn ThS Cân bằng tín hiệu điện ở đầu thu trong các hệ thống truyền dẫn quang đường dài, Khoa ĐT-VT, ĐH KHTN Tp HCM, 2009 [4] Govind P.Agrawal, Fiber-optic communications system (3rd), A John wiley & Sons Inc Publication, 2002
[5] William Shieh & Ivan Djordjevic, OFDM for Optical Communications, Elsevier Inc, 2010
[6] Ramjee Prasad, OFDM for Wireless CommunicationsSystems, Artech House Inc. London, 2000
[7] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller, OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-user Communications, WLANs and Broadcasting, 2002
[8] Yan Tang, William Shieh, Xingwen Yi, and Rob Evans, Optimum Design for RF- to-Optical Up-Converter in Coherent Optical OFDM Systems, IEEE Photonics Technology Letters, VOL.19, NO.7, April 1, 2007
[9] Govind P.Agrawal, Nonlinear Fiber optics, New York, July, 2006
[10] Daniel J. Fernandes Barros and Joseph M.Kahn, Optical Modulator Optimization for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, IEEE N0 2443, 13/06/2009
[11] Le Nguyen Binh, MATLAB Simulink Simulation Platform for Photonic Transmission Systems, Published Online in SciRes, May 2009
[12] Le Nguyen Binh, Modelling of Dispersion managed optical fibre communications systems, Technical Report MECSE, 13/2003
[13] L.N. Binh, H.S. Tiong and T.L. Huynh, 40Gb/s Amplitude and Phase Modulation Optical Fibre Transmission Systems, Technical Report MECSE, 24/2006
[14] Akihide Sano and Yutaka Miyamoto, Long-Haul WDM Transmission Using No- Guard-Interval Coherent Optical OFDM, NTT Network Innovation Laboratories, NTT
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 87 Corporation, 2009
[15] Hongchun Bao and William Shieh, Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM systems, ARC Special Research Centre for Ultra-Broadband Information Networks, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Melbourne, Melbourne VIC 3010, Australia, 2008
[16] S.L.Jansen, I.Morita, T.C.W.Schenk, D.Van Den Borne, H.Tanaka, Optical OFDM - A Candidate for Future Long-Haul Optical Transmission Systems, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, the Netherlands, 2006
[17] L.N. Binh and Y.L.Cheung, DWDM Optically Amplified Transmission Systems - SIMULINK Models and Test-Bed, Technical Report MECSE, 4/2005
[18] Thomas E.Murphy, Solition Pulse Propagation in Optical Fiber, IEEE Boston- WDM and Optical Networks Course, December 6, 2001
[19] T.L.Huynh, L.N.Binh, K.K.Pang, and L.Chan,"Photonic MSK transmitter models using linear and nonlinear phase shaping for non-coherent long-haul optical transmission.", Technical report-ECSE Monash University, 2005.
[20] S.L.Jansen1, I.Morita1, T.C.W.Schenk2, D. Van Den Borne3, H.Tanaka1 Optical OFDM - A Candidate for Future Long-Haul Optical Transmission Systems, Optical Society of America, 2007
[21] Hongchun Bao and William Shieh, Transmission simulation of coherent optical