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 đƣợc tín hiệu quang ngõ ra của chặng thứ nhất, tín hiệu đĩ chính là tín hiệu quang ngõ vào thứ hai, áp dụng thuật tốn S- SSF để tìm tín hiệu quang tại đầu ra đoạn thứ hai…quá trình cứ thế cho đến đoạn cuối cùng. Tồn bộ quá trình tính tốn đƣợc mơ tả nhƣ trong Hình 5.14 [18] [19].
Đƣờng bao xung đầu ra tại cuối sợi quang cĩ thể tính theo cơng thức [11]:
( ) . ̂/ .∫ ̂( ) / . ̂/ (5. 7) Với ∫ ̂( ) [ ̂( ) ̂( )]
. ̂/ đƣợc tính nhờ sử dụng thuật tốn FFT.
Trong mơ phỏng đề tài, phƣơng pháp S- SSF đƣợc sử dụng. Mơ hình sợi quang đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.15 trong đĩ thuật tốn S- SSF đƣợc thực hiện nhờ file nhúng trong khối MATLAB Function.
Các tham số mơ phỏng kênh truyền sợi quang:
dz = 0.1 km, SMFLength = 80 km, DCFlength = 80 km DSMF = 17 ps/nm.km; DDCF = -17 ps/nm.km Pthreshold = 10 mW dB/km nNL = 2.6e-20 m2/W Aeff = 76
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 68 Hình 5. 14 Mơ tả phƣơng pháp S-SSF
Hình 5. 15 Mơ hình hĩa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink
Mơ hình hĩa bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Tín hiệu quang bị suy hao sau đĩ sẽ đƣợc khuếch đại nhờ bộ khuếch đại EDFA. Nhiễu ASE sinh ra cĩ thể xem cĩ dạng giống nhiễu Gaussian:
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 69
( ) (5. 8)
Trong đĩ: G là độ lợi khuếch đại, m là số mode phân cực (1 hoặc 2), nsp là hệ số phát xạ tự phát. là băng thơng quang.
Hệ số nhiễu (NF) nhƣ trong chƣơng 3 đã đề cập:
( ) (5. 9)
Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang kèm theo việc nhiễu sinh ra trong quá trình khuếch đại, gây ra tác động nghiêm trọng đến chất lƣợng hệ thống. Do đĩ việc tính tốn nhằm tối thiểu nhiễu ASE, sử dụng tối thiểu các bộ EDFA là quan trọng và cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Bộ khuếch đại EDFA đƣợc mơ hình hĩa sử dụng Simulink nhƣ Hình 5.16. Trong đĩ các tham số cần nhập vào là độ lợi (G) và hệ số NF.
Hình 5. 16 Mơ hình bộ khuếch đại EDFA
Tín hiệu sau khi truyền từ đầu này tới đầu kia của sợi quang sẽ bị méo do các hiệu ứng truyền dẫn sợi quang gây nên. Hình 5.17 Cho ta thấy ảnh hƣởng của kênh truyền quang lên tín hiệu truyền trên nĩ.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 70 Hình 5. 17 Tín hiệu tại ngõ vào và ra tƣơng ứng trên sợi quang
5.1.3 Bộ thu quang coherrent
Bộ thu quang coherrent bao gồm hai thành phần cơ bản: (1) bộ tách sĩng quang kết hợp (coherent optical detector) và (2) bộ xử lý tín hiệu OFDM ở miền điện, thực hiện giải điều chế tín hiệu OFDM. Hình 5.18 mơ tả cấu trúc bộ thu quang đƣợc xây dựng trong mơ phỏng.
Nhìn vào mơ hình bộ thu, ta dễ dàng nhận ra khối chuyển đổi quang-điện (coherent Receiver), nhiệm vụ khối này là tách tín hiệu quang thu đƣợc thành hai phần tƣơng ứng I – Q, sau đĩ chuyển đổi hai thành phần này thành tín hiệu điện. Khối OFDM Rx cĩ chức năng giải điều chế tín hiệu OFDM. Khối Error calculator sử dụng phƣơng pháp đếm Mon-to-cac-lo để tính BER, thực tế số liệu BER tính ra ở khối này chỉ mang tính chất tham khảo vì nhƣ đã đề cập, hệ thống cĩ BER < 10-9 thì việc đánh giá BER dựa vào phƣơng pháp đếm là khơng khả thi. Ngƣời ta đánh giá các hệ thống cĩ BER thấp nhƣ vậy chủ yếu dựa trên nguyên tắc xác suất thống kê, cụ thể trong đề tài dùng eye diagram để ƣớc lƣợng BER.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 71 Hình 5. 18 Mơ hình bộ thu – Receiver coherrent RX
Bộ chuyển đổi quang-điện
Mơ hình bộ chuyển đổi quang-điện Optical Coherent Receiver đƣợc xây dựng nhƣ Hình 5.19. Trong đĩ, bộ giao động nội LO đĩng vai trị tạo ra tần số giao động nội bằng với tần số Lazer bên phát. Phƣơng pháp tách sĩng kết hợp nhƣ thế này trong thực tế khĩ thực hiện đối với các hệ thống tốc độ cao (trên 10 Gb/s) bởi việc điều chỉnh tần số Lazer giao động nội một cách chính xác là điều khơng dễ dàng. Tuy nhiên, đây là phƣơng pháp tách sĩng cĩ nhiều ƣu diểm so với tách sĩng trực tiếp nhƣ đã đề cập trong phần lý thuyết, đặc biệt là độ nhạy cao hơn rất nhiều so với phƣơng pháp tách sĩng trực tiếp.
Tín hiệu quang đi tới đầu thu đƣợc tách làm hai thành phần I, Q nhờ dịch pha 1 gĩc 900 nhƣ trên hình. Sau đĩ, từng nhánh của tín hiệu thu đƣợc bao gồm nhánh thứ nhất là tín hiệu quang tới và nhánh thứ hai là tín hiệu quang tới nhƣng đã bị lệnh pha 900 đƣợc đƣa vào bộ nhận cân bằng (Balanced Receiver). Cấu trúc của bộ nhận cân bằng bao gồm 2 photo-detector đƣợc xây dựng nhƣ Hình 20. Việc tách sĩng cân bằng sử dụng 2 photo-detector sẽ làm tăng độ lợi 3 dB so với tách sĩng chỉ dùng 1 photo-detector [1].
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 72 Hình 5. 19 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver
Hình 5. 20 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver
Mơ hình giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF
Sau khi đã tách ra đƣợc hai thành phần I/Q ở miền điện từ sĩng mang quang tới nhờ các photo-diode, tín hiệu phức nhận đƣợc sẽ đƣợc chuyển về dạng số tƣơng ứng nhờ bộ lọc cosine ở phía thu. Sau đĩ, tín hiệu số đƣợc chuyển đổi từ nối tiếp sang song song nhờ bộ buffer và mỗi symbol đƣợc buffer sẽ bao gồm 320 mẫu rời rạc. Từng symbol
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 73 nhƣ vậy sẽ đƣợc đƣa vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ở miền điện. Hình 5.21 mơ tả bộ xử lý tín hiệu OFDM bao gồm bộ đệm buffer, bộ giải điều chế tín hiệu OFDM, bộ giải điều chế ánh xạ chịm sao.
Hình 5. 21 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx
Tín hiệu sau khi qua bộ buffer sẽ đƣợc giải điều chế OFDM. Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM đƣợc mơ phỏng nhƣ Hình 5.22. Từng symbol 320 mẫu rời rạc sẽ đƣợc loại bỏ khoảng bảo vệ nhờ bộ remove cyclic prefix (RCP), symbol sau khi qua bộ RCP sẽ cịn 256 mẫu và đƣợc đƣa vào bộ biến đổi FFT. Ngõ ra bộ FFT chính là 256 điểm rời rạc