Tải bản đầy đủ

KỸ THUẬT OFDM CHO hệ THỐNG QUANG ROF (RADIO OVER FIBER)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KỸ THUẬT OFDM CHO HỆ THỐNG
QUANG ROF (RADIO OVER FIBER)

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................X
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................XI
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ
CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER...............................................................................1
1.1

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG...................................................................................1

1.1.1

Bộ phát quang.....................................................................................................1


1.1.2

Bộ thu quang.......................................................................................................6

1.1.3

Kênh truyền sợi cáp quang.................................................................................6

1.2

CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER (ROF).....................................................................7

1.2.1

Sự kết hợp sợi quang và vô tuyến.......................................................................8

1.2.2

Giới thiệu về kỹ thuật RoF..................................................................................9

1.2.3

Kỹ thuật truyền dẫn RoF...................................................................................10

1.2.4

Ưu điểm của công nghệ RoF.............................................................................11

1.2.5

Những ứng dụng thực tế của RoF.....................................................................11

1.2.6

Những giới hạn của công nghệ RoF.................................................................14

1.2.7

Kết luận.............................................................................................................14



CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT OFDM GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ
TRỰC GIAO .....................................................................................................................15
2.1

LỊCH SỬ OFDM........................................................................................................15

2.2

TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM.............................................................16

2.2.1

Sóng mang trực giao.........................................................................................16

2.2.2

Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số...............................................17

2.3

SƠ ĐỒ KHỐI HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM....................................................17

2.3.1

Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song..................................................................18

2


2.3.2

Bộ điều chế số trong OFDM.............................................................................18

2.3.3

Bộ biến đổi IFFT và FFT..................................................................................18

2.3.4

Chèn khoảng bảo vệ..........................................................................................20

2.3.5

Bộ chuyển đổi D/A và A/D................................................................................21

2.3.6

Điều chế RF với kỹ thuật nâng hạ tần số..........................................................21

2.4

ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM........................................21

2.4.1

Ưu điểm của kỹ thuật điều chế OFDM.............................................................21

2.4.2

Những hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM...................................................22

CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG ROF.................................23
3.1

KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG ROF SỬ DỤNG KỸ

THUẬT ĐIỀU CHẾ

OFDM....................................................................................................23

3.2

CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM..................................................................24

3.3

MÃ HÓA GRAY.........................................................................................................25

3.4

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG......................................27

3.4.1

Nhiễu (Noise)....................................................................................................27

3.4.2

Suy hao..............................................................................................................27

3.4.3

Tán sắc..............................................................................................................27

3.4.4

Hiệu ứng phi tuyến............................................................................................28

3.5

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ROF-OFDM.........................................................................29

3.5.1

Điều chế biên độ trực giao QAM......................................................................30

3.5.2

Điều chế biên độ trực giao 8 – QAM................................................................32

3.5.3

Điều chế biên độ trực giao 16 – QAM..............................................................34

3.5.4

Điều chế biên độ trực giao 64 – QAM..............................................................36

3.5.5

Xác định công suất phát của nguồn quang.......................................................38

3.5.6

Thiết kế sợi bù tán sắc......................................................................................39

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.............................................40
4.1

HỆ THỐNG ROF – OFDM MÔ PHỎNG BẰNG OPTISYSTEM.......................................40

4.1.1

Bộ phát..............................................................................................................40

4.1.2

Tuyến truyền dẫn quang....................................................................................42

4.1.3

Khối thu.............................................................................................................43

4.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ROF – OFDM.................................45

3


4.3.1

QAM – OFDM trong hệ thống RoF..................................................................45

4.3.2

8QAM – OFDM trong hệ thống RoF................................................................49

4.3.3

Mô phỏng hệ thống sử dụng điều chế biên độ 16 – QAM.................................53

4.3.4

Mô phỏng hệ thống sử dụng điều chế biên độ 64 – QAM.................................60

4.4

TỔNG KẾT CHƯƠNG..................................................................................................66

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...............................67
5.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................67

5.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................69

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: SƠ ĐỒ HỆ THỐNG QUANG..........................................................................1
HÌNH 1-2: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ MZM [2]...............................4
HÌNH 1-3: BỘ ĐIỀU CHẾ MZM PHÂN CỰC ĐƠN......................................................5
HÌNH 1-4: BỘ ĐIỀU CHẾ MZM PHÂN CỰC ĐÔI [1]..................................................5
HÌNH 1-5: SƠ ĐỒ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU RF TRÊN ROF...................................10
HÌNH 1-6: KỸ THUẬT ROF TRONG MẠNG RVC.....................................................12
HÌNH 1-7: KỸ THUẬT ROF TRONG MẠNG WLAN [1]...........................................13
HÌNH 2-1: SO SÁNH PHỔ KỸ THUẬT OFDM VỚI FDM [2]...................................16
HÌNH 2-2: PHỔ CỦA TÍN HIỆU OFDM [2]..................................................................17
HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM [1]................................17
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM.......................................................24
HÌNH 3-2: CHÒM SAO QAM – 16 ĐƯỢC MÃ HÓA GRAY [2]................................26
HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ KHỐI PHÁT RF – OFDM................................................................40
HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ KHỐI PHÁT QUANG......................................................................42
HÌNH 4-3: SƠ ĐỒ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG...................................................42
HÌNH 4-4: SƠ ĐỒ KHỐI THU QUANG.........................................................................43
HÌNH 4-5: SƠ ĐỒ KHỐI COHERENT DETECTION.................................................43
HÌNH 4-6: SƠ ĐỒ KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM..................................44
HÌNH 4-7: TÍN HIỆU BĂNG GỐC..................................................................................45
HÌNH 4-8: SƠ ĐỒ CHÒM SAO QAM TÍN HIỆU ĐƯỢC MÃ HÓA.........................46
HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ.................46
HÌNH 4-10: TÍN HIỆU QUANG SAU BỘ MZM...........................................................47
HÌNH 4-11: TÍN HIỆU TRONG TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG...........................47
HÌNH 4-12: TÍN HIỆU Ở PHÍA THU..............................................................................48

5


HÌNH 4-13: CÔNG SUẤT Ở PHÍA THU.........................................................................48
HÌNH 4-14: CHÒM SAO QAM SAU GIẢI ĐIỀU CHẾ..............................................48
HÌNH 4-15: CHUỖI BIT ĐẦU VÀO................................................................................49
HÌNH 4-16: TÍN HIỆU OFDM SAU BỘ LỌC LPF.......................................................50
HÌNH 4-17: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ..............50
HÌNH 4-18: TÍN HIỆU OFDM ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ SANG DẠNG QUANG.............51
HÌNH 4-19: TÍN HIỆU TRONG MIỀN THỜI GIAN TẠI PD....................................51
HÌNH 4-20: TÍN HIỆU RF TẠI PHÍA THU....................................................................52
HÌNH 4-21: TÍN HIỆU BĂNG THÔNG GỐC Ở PHÍA PHÁT....................................53
HÌNH 4-22: SƠ ĐỒ CHÒM SAO MÃ HÓA 16QAM....................................................53
HÌNH 4-23: TÍN HIỆU OFDM ĐƯỢC LỌC BỞI BỘ LỌC THÔNG THẤP............54
HÌNH 4-24: TÍN HIỆU OFDM Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ..........................55
HÌNH 4-25: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN
SỐ...........................................................................................................................................55
HÌNH 4-26: TÍN HIỆU QUANG TẠI PD........................................................................56
HÌNH 4-27: TÍN HIỆU RF Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ..................................56
HÌNH 4-28: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 16QAM..................................................................57
HÌNH 4-29: GIÁ TRỊ BER VÀ BIỂU ĐỒ MẮT TÍN HIỆU.........................................57
HÌNH 4-30: SƠ ĐỒ CHÒM SAO VỚI 256, 512 VÀ 1024 SÓNG MANG..................58
HÌNH 4-31: SƠ ĐỒ MÃ HÓA CHÒM SAO 64QAM....................................................60
HÌNH 4-32: TÍN HIỆU OFDM SAU BỘ LỌC THÔNG THẤP...................................61
HÌNH 4-33: TÍN HIỆU TRONG MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ............................61
HÌNH 4-34: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ TẦN
SỐ...........................................................................................................................................62
HÌNH 4-35: TÍN HIỆU QUANG THU TẠI PD..............................................................62
HÌNH 4-36: TÍN HIỆU RF MIỀN THỜI GIAN VÀ MIỀN TẦN SỐ..........................63

6


HÌNH 4-37: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 64QAM VỚI 128 SÓNG MANG.......................64
HÌNH 4-38: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 64QAM VỚI 256 VÀ 512 SÓNG MANG.........64
HÌNH 4-39: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 64QAM VỚI 1024 SÓNG MANG.....................65

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1-1: CÁC THÔNG SỐ SỢI CÁP QUANG THEO CHUẨN ITU [1]................7
BẢNG 3-1: BẢNG MÃ GRAY [2].....................................................................................26
BẢNG 4-1: CÁC THÔNG SỐ CHUNG CỦA HỆ THỐNG ROF – OFDM................41
BẢNG 4-2: BẢNG SO SÁNH CÁC GIÁ TRỊ HỆ THỐNG VỚI SỐ SÓNG MANG
KHÁC NHAU.......................................................................................................................59
BẢNG 4-3: BẢNG GIÁ TRỊ CÔNG SUẤT KHI THAY ĐỔI SỐ VÒNG...................65

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
APD
BER
BPSK

Avalanche Photo Diode
Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying

BS
CS
DFT
ICI
IF
IFFT

Base Station
Central Station
Discrete Fourier Transform
Inter Carrier Interference
Intermediate Frequency
Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter Symbol Interference

LAN

Local Area Network

MAC
OFDM
QAM
RoF

Media Access Control
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Quarature Amplitude Modulator
Radio over Fiber

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/69

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG VÀ CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER
Nội dung chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang. Sau đó sẽ
giới thiệu sơ lược về công nghệ kỹ thuật trong truyền vô tuyến trên sợi quang. RoF
đang là một kỹ thuật hiện này được coi là nền tảng cho mạng truy cập không dây
với băng thông rộng trong tương lai.
1.1 Hệ thống thông tin quang
Trong một hệ thống quang cơ bản sẽ bao gồm bộ phát quang, kênh truyền dẫn sợi
quang, các bộ khuếch đại và bộ thu quang.

Hình 1-1: Sơ đồ hệ thống quang

Các tín hiệu được đưa vào bộ truyền sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tín
hiệu quang sau đó truyền qua sợi quang. Khi tín hiệu tới bộ thu, tại đây tín hiệu sẽ
được chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện. Do các suy hao tuyến nên các tín
hiệu sẽ được khuếch đại để đảm bảo công suất truyền trong quá trình truyền dẫn tín
hiệu.

1.1.1 Bộ phát quang
Chức năng của bộ phát quang là nhận tín hiệu điện và chuyển đổi tín hiệu điện
thành tín hiệu quang sau đó đưa vào kênh truyền dẫn sợi cáp quang.
Một bộ phát quang cơ bản gồm có ba thành phần chính là: thành phần để tạo ra tín
hiệu quang là nguồn quang, bộ ghép kênh và bộ điều chế có chức năng hội tụ ánh
sáng sau khi đã điều chế vào kênh truyền dẫn quang.
 Nguồn quang
Nguồn quang thường được dùng trong bộ phát quang là loại nguồn quang bán dẫn
(LASER, LED). Các chất bán dẫn sử dụng để chế tạo nguồn quang cần phải có

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/69

năng lượng chênh lệch và dải cấm trực tiếp giữa vùng hóa trị và vùng dẫn phù hợp
với khả năng tạo ra bước sóng nằm trong các bước sóng hoạt động trong hệ thống
quang.
Những yêu cầu đối với nguồn quang được sử dụng trong hệ thống thông tin quang
là:


Phải có kích thước nhỏ phù hợp với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào
được trong sợi quang. Lý tưởng nhất là ánh sáng của nguồn quang ở ngõ ra



phải có tính định hướng cao.
Nguồn quang phải có tính tuyến tính, khi thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một



cách chính xác để giảm thiểu nhiễu và sự méo dạng trên tín hiệu.
Linh kiện thu quang phải hoạt động hiệu quả tại vùng bước sóng hoạt động và
đồng thời sợi quang có suy hao và tán sắc thấp phù hợp với vùng bước sóng



này.
Có khả năng điều chế trực tiếp tín hiệu hoặc một cách đơn giản khác trên dải



tần số rộng.
Giảm suy hao ghép từ nguồn quang đưa vào sợi quang với hiệu suất ghép



quang tốt.
Duy trì mức công suất ở ngõ ra ổn định và ít bị ảnh hưởng nhiều với các yếu tố



môi trường bên ngoài.
Có độ tin cậy cao và giá thành thấp để có thể cạnh tranh với các kỹ thuật truyền

dẫn khác.
Trong hệ thống thông tin quang, nguồn quang phát ra ánh sáng không tại một bước
sóng cụ thể mà là một khoảng bước sóng. Do đó sẽ bị hiện tượng tán sắc ánh sáng,
điều này làm cho dung lượng truyền và khoảng cách tuyến truyền dẫn quang bị hạn
chế. Độ rộng phổ của nguồn quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Ví
dụ như LED được chế tạo từ chất bán dẫn INGaAsP sẽ có bước sóng ánh sáng
1,3µm sẽ có độ rộng từ 50-60nm, vì thế LED thường được dùng trong các hệ thống
quang sử dụng sợi đa mode, tốc độ truyền không vượt quá 200Mb/s và khoảng cách
truyền ngắn.
Trong khi đó, LASER được dùng trong các trường hợp có các kênh truyền ánh sáng
có bước sóng 1550nm, tại bước sóng này, độ tán sắc khá lớn, tín hiệu quang phải là
sợi đơn mode và độ rộng phổ rất hẹp.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/69

Với khoảng cách truyền xa đòi hỏi công suất phải lớn hơn, và khoảng cách giữa các
bộ khuếch đại (amplifier) hoặc các trạm lặp (repeater) trên đường truyền dẫn cũng
do đó mà tăng lên. Khi truyền dẫn xa, các hiện tượng phi tuyến sẽ ảnh hưởng tới tín
hiệu cũng tăng theo. Vì vậy, công suất quang sẽ được chọn lựa phù hợp và phải có
trong quy định chuẩn cho phép mà sự ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến có thể
chấp nhận được và các thiết bị lặp ở mức tối thiểu.
LASER hiện đang được ưa dùng nhiều hơn LED bởi vì các ưu điểm phù hợp cho hệ
thống có tốc độ cao và truyền trên khoảng cách dài.
 Bộ điều chế quang
Bộ điều chế quang thường được sử dụng là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Ưu
điểm của bộ điều chế trực tiếp là có cấu trúc đơn giản thường được áp dụng trong
hệ thống không cần tốc độ quá cao (<10Gbps). Còn với các hệ thống đòi hỏi tốc độ
truyền dẫn cao hơn hoặc công suất quang lớn (>30mW), thì việc chế mạch trực tiếp
và dòng điện kích thích lớn trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều. Những hạn chế
này có thể được khắc phục bằng kỹ thuật điều chế ngoài. Đồ án sẽ phân tích về bộ
điều chế ngoài Mach-Zehnder.
Bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder MZM: được cấu tạo bởi vật liệu Lithium niobate.

Hình 1-2: Sơ đồ hoạt động của bộ điều chế MZM [2]

Nguyên lý hoạt động bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder là: khi đặt vào một nhánh
của nó một hiệu điện thế thì chiết suất của lớp Lithium Niobate sẽ thay đổi. Khi
không có hiệu điện thế phân cực đặt vào thì nguồn sáng từ bộ điều chế được chia

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/69

thành hai nhánh khi nó được đưa qua ống dẫn sóng sẽ không bị dịch pha và tại đầu
ra chúng sẽ giao thoa lại với nhau và trở thành dạng sóng tới ban đầu.
Khi hiệu điện thế đặt vào một nhánh thì một tia tới sẽ bị dịch pha 90 o do chiết suất
của ống dẫn bị giảm, dẫn đến giảm độ trễ và tăng vận tốc ánh sáng. Trong khi đó
nhánh còn lại sẽ bị dịch pha -90 o chiết suất của ống dẫn tăng lên làm giảm độ trễ và
tăng vận tốc. Do đó ở ngõ ra chúng sẽ lệch pha và triệt tiêu lẫn nhau. Điều đó cho
thấy, bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực sẽ điều khiển được cường độ tín hiệu
ánh sáng ở ngõ ra và độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh của ống dẫn.
Phân cực cho bộ MZM có hai cách là phân cực đơn và phân cực đôi.
Đối với bộ phân cực đơn MZM
Ngõ ra bộ MZM khi một nhánh MZM được phân cực là:
(1.1)
Trong đó E0 là cường độ ánh sáng ngõ ra, Vin điện áp phân cực, Vπ là điện áp phân
cực dịch pha một góc π và Ein cường độ ánh sáng ngõ vào.

Hình 1-3: Bộ điều chế MZM phân cực đơn

Đối với bộ điều chế MZM phân cực đôi

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/69

Hình 1-4: Bộ điều chế MZM phân cực đôi [1]

Cường độ ánh sáng ngõ ra khi hai nhánh đều được phân cực bởi các điện thế phân
cực V1 và V2 là:
(1.2)
Với V1= VData – VBias ; V2= -VData + VBias
Trong đó VBias là điện áp phân cực một chiều, VData là điện áp dữ liệu vào.
 Bộ ghép kênh
Bộ ghép kênh có thành phần chính là một vi thấu kính dùng để hội tụ ánh sáng khi
đã được điều chế vào sợi quang để tăng hiệu suất đưa ánh sáng vào sợi quang.

1.1.2 Bộ thu quang
Chức năng của bộ thu quang là nhận tín hiệu quang, đồng thời chuyển tín hiệu
quang thành tín hiệu điện và sau đó xử lý là khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu. Bộ
thu quang còn được gọi là linh kiện tách quang hay là linh kiện tách sóng quang do
nguyên lý biến đổi trực tiếp nguồn năng lượng photon sang điện.
 Các linh kiện bán dẫn biến đổi từ quang sang điện (photodiode)
Các linh kiện biến đổi quang thành điện được gọi là photodetector hay photodiode
có chức năng biến đổi tín hiện quang thành điện ở đầu ra. Photodiode PIN và
photodiode thác lũ APD là loại photodiode được ưa dùng hiện nay trong hệ thống
thông tin quang.
Photodiode thác lũ APD thường được sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi tốc độ
cao, độ chính xác và độ nhạy cao. Do cơ chế “thác lũ” nên photodiode APD có độ

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/69

nhạy cao hơn so với photodiode PIN nằm ở khoảng 5dB đến 15dB, cũng do đó hiệu
suất lượng tử cao hơn PIN vài trăm lần (20-80A/W so với 0,5-0,7 A/W). Nhưng vì
photodiode PIN phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực và nhiệt độ nên có độ ổn
định kém và độ nhiễu cao hơn photodiode PIN.

1.1.3 Kênh truyền sợi cáp quang
Đây là thành phần quan trọng nhất trong một hệ thống quang, với vai trò truyền dẫn
tín hiệu quang từ phía phát về đầu thu.
Cấu tạo của sợi cáp quang gồm hai lớp: lớp lõi (core) với chiết suất n 1 và lớp vỏ bọc
với chiết suất n2. Với nguyên lý hiện tượng phản xạ toàn phần giữa hai lớp (n 1>n2),
ánh sáng được truyền trong sợi quang nhờ vào hiện tượng này. Sợi quang được chia
thành sợi đơn mode và sợi đa mode bằng việc dựa theo số mode sóng truyền trên
sợi quang.
Khi tín hiệu được lan truyền trong sợi cáp quang thì chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi các
yếu tố hạn chế tốc độ truyền và khoảng cách truyền tín hiệu cũng như chất lượng
truyền tin của sợi quang như tán sắc, suy hao và các hiện tượng phi tuyến thường
xảy ra trên sợi quang.
 Sợi quang G.652 đơn mode
Tại bước sóng 1310nm, sợi quang G.652 có hệ số tán sắc rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 do
các đặc tính của cáp và sợi đơn mode nên G.652 có thể hoạt động tối ưu tại bước
sóng này. Sợi quang này cũng có thể hoạt động tại bước sóng 1550nm nhưng không
tối ưu hơn vùng bước sóng 1310nm.
Bảng 1-1: Các thông số sợi cáp quang theo chuẩn ITU [1]

Các thông số sợi quang
Thông số
Đương kính trường Mode
Đường kính lớp bọc
Suy hao uốn cong vi mô
Hệ số tán sắc màu
Hệ số suy hao

Thông số cụ thể
Bước sóng
Đường kính lõi
Đường kính
Bán kính
Số vòng uốn cong
Tại λ= 1550 (max)
λ0min
λ0max
S0max
Tại 1310nm

Giá trị
1310nm
8,6 – 9,5µm
125µm
30nm
100
0,1dB
1300nm
1324nm
0,092ps/nm2.km
0,5dB/km

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/69

Tại 1550nm

0,4dB/km

1.2 Công nghệ Radio over Fiber (RoF)
Hiện nay, nhu cầu về dịch vụ tốc độ trao đổi thông tin và băng thông rộng trong hệ
thống truyền dẫn vô tuyến ngày càng tăng, việc đó đòi hỏi phải có hệ thống vô
tuyến sở hữu công nghệ tiên tiến để đáp ứng được nhu cầu đó. Nhằm đáp ứng nhu
cầu tăng dung lượng truyền dẫn và giảm chi phí hệ thống truyền dẫn vô tuyến với
phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến tốc độ cao, tần số sóng mang lên tới GHz
trong sợi quang công nghệ truyền vô tuyến qua sợi quang (RoF) được ra đời.

1.2.1 Sự kết hợp sợi quang và vô tuyến
Để đáp ứng nhu cầu về băng thông rộng, các công nghệ truy cập vô tuyến hiện nay
đang hướng về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho thiết bị trong hệ
thống. Các kỹ thuật truy cập tiên tiến như CDMA, OFDM được sử dụng để tăng
băng thông. Trong khi đó xu hướng giảm kích thước cell để tăng số user lên, vì đó
số lượng trạm thu phát cũng tăng lên theo và được chuyển sang hoạt động ở băng
tần microwave/milimeterwave để hạn chế chồng lấn phổ và mở rộng băng thông
rộng hơn.
Những ưu điểm của băng tần mm là: kích thước ăng-ten nhỏ băng thông lớn nhưng
ở tần số mm, suy hao không gian rất lớn. Suy hao trong không gian được tính bằng
công thức:
(1.3)
Trong đó d là khoảng cách (km) và f là tần số (MHz). Theo công thức tần số tỉ lệ
thuận với suy hao và tỉ lệ nghịch với bán kính phủ sóng của trạm thu phát. Trong
băng tần mm (26GHz – 100GHz) suy hao là rất lớn.
Vì thế, bán kính của mỗi trạm cơ sở BS (Base Station) giảm xuống đồng thời số
lượng BS sẽ tăng lên nhiều lần để đáp ứng nhu cầu của vùng phát sóng. Số lượng
BS tăng sẽ dẫn đến bài toán kinh tế cho mỗi BS và để giải quyết bài toán này, người
ta sẽ cấu trúc BS đơn giản bằng phương pháp kiến trúc mạng tập trung. Trong kiến
trúc mạng tập trung, các chức năng chuyển giao, xử lý và định tuyến… sẽ được thực
hiện ở trạm trung tâm CS (Central Station), nhiệm vụ còn lại là phát tín hiệu nhận
được từ CS và chuyển những tín hiệu nhận được ở MH (Mobile Host) về CS.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/69

Và để kết nối các BS và CS, với những ưu điểm của sợi quang là băng thông lớn và
suy hao nhỏ, một sợi quang có thể truyền xa đến hàng chục km với tốc độ truyền
lên đến hàng trăm Gbps. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật OFDM hoạt động trong
mạng RoF.

1.2.2 Giới thiệu về kỹ thuật RoF
Một hệ thống quang RoF sẽ bao gồm thiết bị đầu cuối (MH), các trạm cơ sở (BS) và
cuối cùng là trung tâm điều khiển (CS).
 Trạm cơ sở viết tắt là BS (Base Station)
 Chức năng BS là phát sóng vô tuyến nhận từ CS đến các MH đồng thời nhận


sóng vô tuyến từ MH truyền về CS.
Ở BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ biến đổi những thành phần



điện/quang hoặc ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS.
Các thành phần chính như ăng-ten và thành phần chuyển đổi quang/điện ở



tần số RF trong BS phải được đơn giản hóa trong kiến trúc mạng RoF.
Tùy vào bán kính phủ sóng của BS mà số lượng BS được lắp đặt phù hợp,
bán kính phục vụ của BS thường rất nhỏ chỉ từ vài chục mét đến vài trăm

mét và chỉ phục vụ được vài trăm MH.
 Thiết bị di động đầu cuối viết tắt là MH (Mobile Host)
 Các thiết bị đầu cuối trong mạng là những thiết bị di động như điện thoại di
động, máy tính hoặc những máy khác có khả năng truy cập vào mạng vô
tuyến.
 Trạm trung tâm viết tắt là CS (Central Station)
 Dựa vào hệ thống RoF mà một CS có thể truyền tải tới các BS với khoảng


cách xa hàng chục km, một CS có khả năng kết nối với nhiều BS khác nhau.
Do là kiến trúc mạng tập trung nên CS là thành phần quan trọng nhất trong

hệ thống RoF, CS được kết nối đến mạng lõi như tổng đài PSTN, Internet…
 Tuyến truyền dẫn quang giữa BS và CS
 Truyền dẫn tín hiệu quang từ BS và CS.
 Nếu khoảng cách giữa BS và CS dài thì sẽ có thêm các thiết bị xử lý tín hiệu


là bộ khuếch đại cũng như bộ lọc nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở đầu ra.
Với tín hiệu ở các bước sóng quang sợi đơn mode như 1330nm hay 1550nm
có độ tán sắc và suy hao thấp có thể đáp ứng được khoảng cách truyền dẫn
và chất lượng tăng.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/69



Có hai phương thức truyền tín hiệu trên tuyến quang là đơn hướng (simplex)

và hai hướng (duxplex).
Tín hiệu vô tuyến được truyền trên tuyến quang là tín hiệu băng gốc (baseband), tín
hiệu được điều chế ở trung tần IF hay là tín hiệu cao tần RF. Các tín hiệu này phải
đáp ứng được các yêu cầu thông số kỹ thuật trong các ứng dụng không dây như hệ
thống GSM, WLAN, WiMax…

1.2.3 Kỹ thuật truyền dẫn RoF
Tùy vào mục đích sử dụng, các tín hiệu RF (tần số vô tuyến) có thể được điều chế
lên băng tần IF (trung tần) hay RF (cao tần) hoặc sử dụng băng thông gốc.
Do việc xử lý các tín hiệu tại trung tâm đơn giản hơn các thiết bị hoạt động ở tần số
cao nên tín hiệu băng thông gốc sẽ được biến đổi trung tần IF thay vì băng tần RF
với chi phí rẻ và độ ổn định cao hơn.
Phương pháp trộn tần số là phương pháp được sử dụng để điều chế IF lên RF.

Hình 1-5: Sơ đồ truyền dẫn tín hiệu RF trên RoF

Dựa vào mục đích người sử dụng mà ta sử dụng tín hiệu băng gốc hay điều chế lên
băng tần IF hoặc RF ở dữ liệu vô tuyến đầu vào. Tiếp theo tín hiệu RF sẽ được điều
chế thành dạng quang thông qua các phương pháp điều chế trực tiếp hoặc điều chế
ngoài. Sau đó tín hiệu quang sẽ được truyền trên sợi quang tới thiết bị thu.
Tại đây, tín hiệu sẽ được trả về dạng RF bằng bộ chuyển đổi quang/điện. Phía thu
có thể sẽ có bộ lọc hay những thiết bị khuếch đại nhằm tăng công suất và lọc nhiễu
tín hiệu do các hiện tượng phi tuyến trên đường truyền.

1.2.4 Ưu điểm của công nghệ RoF
Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/69

Trong truyền thông vô tuyến trên sợi cáp quang thì công nghệ RoF có những ưu
điểm sau:
 Tín hiệu bị suy hao thấp.
 Giảm được công suất tiêu thụ.
 Sự linh hoạt trong vận hành.
 Không có sự ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến.
 Phân bổ tài nguyên linh động.
 Sử dụng băng thông rộng.

1.2.5 Những ứng dụng thực tế của RoF
Ngày nay, các mô hình mạng sử dụng RoF đang ngày càng được áp dụng và phát
triển như Wireless LAN, mạng RVC (Road Vehicle Communication) hay WiMAX,

 RoF trong mạng RVC
Mạng Road Vehicle Communition viết tắt là RVC là cơ sở hạ tầng của hệ thống
tuyền tải thông minh ITS, nó được sử dụng trong các phương tiện đang di chuyển
(MH) mà có thể truy cập mạng.
Để đáp ứng cho mỗi MH mỗi khi cần, hệ thống RVC này phải đạt tốc độ ít nhất là
2-10Mbs như các mạng hỗ trợ thoại hay dịch vụ đa phương tiện khi các MH đang di
chuyển. Mạng RVC hiện đang sử dụng băng tần micromet nhưng vẫn không đáp
ứng đủ nhu cầu về băng thông, vì vậy những băng tần mm trong khoảng từ 36GHz
đến 60GHz đang được cân nhắc để cải tiến ứng dụng cho mạng này. Tuy nhiên,
băng tần này lại có bán kính phủ sóng của các cell nhỏ hơn băng tần micromet do
suy hao trong không gian.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/69

Hình 1-6: Kỹ thuật RoF trong mạng RVC

Mạng RoF-RVC gồm những BS được quản lý bởi các CS khác nhau, những BS và
CS được kết nối với nhau bằng các sợi quang.
Bán kính cell nhỏ và tính di động của những MH cao là đặc điểm của mạng RVC do
cơ chế chuyển giao nhanh và đơn giản đó cũng là vấn đề cần giải quyết trong mạng
này. Các phương tiện giao thông trên đường có thể liên lạc với nhau hoặc liên lạc
thông qua trung tâm điều khiển đó cũng là cơ sở của hệ thống ITS điều khiển
phương tiện tự động bằng cách các BS sẽ được lắp đặt tại những cột đèn ở giữa hay
hai bên đường.
Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết về mặt kỹ thuật, kinh tế,…
nhưng với những ưu điểm của nó đem lại được thì mạng RVC sẽ được ứng dụng
ngày càng nhiều trong tương lai.
 RoF trong mạng WLAN
Trong mạng WLAN, bán kính phủ sóng của các BS nhỏ do đó cần phải có sự
chuyển giao giữa các MH khi di chuyển. Sự chuyển giao này được thực hiện liên

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/69

tục trong quá trình MH di chuyển do đó WLAN cần có một giao thức chuyển giao
đơn giản và đáng tin cậy ở băng tần mm. Để đáp ứng những yêu cầu này giao thức
MAC (Media Access Control) hay còn được gọi là giao thức chuyển giao bàn cờ
(Chess Board Protocol) được áp dụng trong băng tần 60GHz tích hợp QoS.

Hình 1-7: Kỹ thuật RoF trong mạng WLAN [1]

Central Office (CO): trạm trung tâm, Fiber – Based Netword là mạng cơ sở.
Trong mạng WLAN, các bộ điều chế ngoài thường được sử dụng thay vì các thiết bị
LD (Laser Diode) bởi vì chúng hoạt động ở tần số 60GHz, tần số này các LD không
thể đáp ứng được. Do giá thành của các bộ này cao nên bộ thu phát chỉ được lắp đặt
các bộ dao động với tần số cố định. Nếu thay đổi bộ dao động này sẽ ảnh hưởng tới
quá trình tạo tần số tín hiệu của mạng RoF.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/69

1.2.6 Những giới hạn của công nghệ RoF
RoF là một hệ thống truyền dẫn tín hiệu tương tự, vì vậy tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng
bởi nhiễu và méo dạng.
Nhiễu trong đường truyền bao gồm những tạp âm cường độ tương đối và nhiễu pha
của Laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang và nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại.
Trong hệ thống RoF, có sự méo dạng phi tuyến trong quá trình điều chế và tán sắc
sợi quang. Trong hệ thống RoF dùng sợi đơn mode nguyên nhân của tăng nhiễu
pha sóng mang RF là tán sắc màu còn trong sợi đa mode là tán sắc mode.
Biện pháp để khác phục các hiện tượng méo dạng này là các kỹ thuật bù tại bộ phát
và tại bộ thu thông qua kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng.

1.2.7 Kết luận
RoF là công nghệ có sự kết hợp truy cập quang và truy cập vô tuyến. Công nghệ
này sử dụng những tuyến quang để phân phối hoặc truyền dẫn tín hiệu vô tuyến
giữa các BS và CS. Nó là công nghệ tiên tiến đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ
truy cập cũng như các dịch vụ băng thông rộng trong thị trường thông tin vô tuyến
hiện nay. RoF giúp đơn giản hóa các trạm cơ sở BS, bên cạnh đó cho phép sử dụng
tài nguyên và băng thông hiệu quả. Ngoài ra, sợi quang chiết suất biến đổi (GIPOF)
đang được ứng dụng vào hệ thống với tính tối ưu so với cáp đồng và chi phí lắp đặt
và bảo trì thấp hơn sợi silic thông thường.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/69

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT OFDM GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO
Kỹ thuật OFDM là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang,
luồng dữ liệu vào tốc độ cao sẽ chia thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát
đồng thời trên một vài sóng mang, những sóng mang này trực giao với nhau. Cũng
nhờ vào tính trực giao này, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng
lấn lên nhau do đó hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn so với các kỹ thuật điều chế hay sử
dụng khác. Ngoài hiệu suất sử dụng phổ, kỹ thuật điều chế OFDM có thể khắc phục
được nhiễu giao thoa, pha-đinh và nhiễu xuyên kênh, vấn đề băng thông. Do đó, kỹ
thuật OFDM đang được xem xét và áp dụng cho các hệ thống truyền thông hiện
nay.
Trong chương này, đề tài sẽ trình bày các nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật điều
chế OFDM, các thành phần chính trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật
OFDM và phân tích các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM.
2.1 Lịch sử OFDM
Kỹ thuật OFDM do ông R.M Chang phát minh vào năm 1966 tại Mỹ, sau đó kỹ
thuật này không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi hoạt động ứng dụng
bởi các ưu điểm trong tiết kiệm băng tần và chống pha-đinh chọn lọc theo tần số
hay xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM được áp dụng lần đầu tiên trong lĩnh vực quân sự.
Trong những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu để áp dụng trong các
thiết bị truyền thông di động cũng như thiết bị điều chế giải điều chế tốc độ cao.
Trong những năm 1990, kỹ thuật OFDM được áp dụng trong truyền dẫn thông tin
băng thông rộng tiếp theo nó được áp dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và
truyền hình số DVB. Trong những năm gần đây, OFDM được áp dụng trong các
chuẩn truyền mạng vô tuyến IEEE 802 và được nghiên cứu ứng dụng trong các
chuẩn di động 4G và 5G.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/69

2.2 Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM
2.2.1 Sóng mang trực giao
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật truyền dẫn đồng thời nhiều băng con có thể chồng lấn
lên nhau trên cùng một độ rộng băng tần được cấp phát của hệ thống. Luồng dữ liệu
tốc độ được chia thành nhiều luồng có tốc độ thấp hơn. Vì vậy, hạn chế được ảnh
hưởng của trễ đa đường và nó giúp chuyển đổi kênh pha-đinh chọn lọc thành kênh
pha-đinh phẳng.
Xét hai sóng mang con: fn(t), fm(t) với m, n = 0, 1,…, N-1 (t1 ≤ t ≤ t2) sẽ trực giao
với nhau khi:
(2.1)
Sóng mang con được truyền là:
(2.2)
Trong đó: , là tần số offset ban đầu.

Hình 2-1: So sánh phổ kỹ thuật OFDM với FDM [2]

Hình 2-1 so sánh hiệu quả phổ của kỹ thuật đa sóng mang thông thường (FDM) với
kỹ thuật OFDM thì độ hiệu quả của kỹ thuật OFDM là tiết kiệm băng thông hơn.

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/69

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số
Bằng cách tổng hợp các sóng dạng sin tương ứng với mỗi sóng con, tần số băng
thông gốc của sóng mang sẽ là bội số nghịch đảo khoảng thời gian của một symbol.
Do đó, tất cả các sóng mang con có một nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

Hình 2-2: Phổ của tín hiệu OFDM [2]

2.3 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống OFDM

Hình 2-3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống OFDM [1]

Kỹ thuật OFDM cho hệ thống quang ROF (Radio Over Fiber)


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×