Đồ án Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ii LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn quý thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã dạy dỗ và cung cấp đầy đủ các kiến thức cần thiết để chúng em tự tin bước vào đời. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy GS TS Lê Nguyên Bình, người định hướng nội dung và cung cấp cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành đề tài. Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy ThS. Đặng Lê Khoa, người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình xây dựng hệ thống mô phỏng trong đề tài. Con xin cám ơn cha mẹ, người đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con trong quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cám ơn tất cả bạn bè, những người đã luôn bên cạnh cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Vũ Linh Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iii MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC .....................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỬ VIẾT TẮT ................................................ vi DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ ix LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG .. 3 1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM ...................................................................................................... 6 1.3. Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI .................................................................................. 7 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM ........................................... 8 2.1. Định nghĩa QAM: ..................................................................................... 8 2.2. Điều chế QAM ......................................................................................... 9 2.3. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM ........................................................ 10 2.4. Đặc điểm của tín hiệu QAM ................................................................... 12 2.5. Xác suất xác định sai tín hiệu QAM ........................................................ 12 2.6. Thiết kế 16-QAM 4R .............................................................................. 15 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CO-OFDM ........................................................... 20 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iv 3.1. Giới thiệu hệ thống CO- OFDM ............................................................. 20 3.2. Kỹ thuật OFDM ...................................................................................... 21 3.2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM ............................................... 21 3.2.2. Tính trực giao OFDM ......................................................................... 22 3.2.3. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM ........................................ 23 3.2.4. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .............................................. 25 3.3. Bộ phát quang ......................................................................................... 26 3.3.1. Nguồn phát quang .............................................................................. 27 3.3.2. Bộ điều chế quang .............................................................................. 29 3.4. Bộ thu quang .......................................................................................... 32 3.4.1. Photo- detector ................................................................................... 33 3.4.2. Bộ giải điều chế .................................................................................. 35 3.5. Kênh truyền quang.................................................................................. 35 3.5.1. Giới thiệu sợi quang ........................................................................... 35 3.5.2. Suy hao sợi quang .............................................................................. 37 3.5.3. Tán sắc trong sợi quang đơn mode ..................................................... 38 3.5.4. Các hiệu ứng phi tuyến ....................................................................... 40 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang v CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ..................................................... 41 4.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM ....................................................... 42 4.1.1. Bộ phát ............................................................................................... 42 4.1.2. Mô phỏng kênh truyền sợi quang ........................................................ 47 4.1.3. Bộ thu quang coherrent....................................................................... 49 4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 52 4.2.1. Hệ thống CO-OFDM sử dụng phương pháp điều chế 16QAM 4R tốc độ 100Gb/s .............................................................................................. 52 4.2.2. Khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống theo công suất đầu vào ở tốc độ 100Gb/s sử dụng bộ điều chế 16QAM ................................................ 54 4.2.3. Kết quả khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống ở tốc độ 100Gb/s theo khoảng cách truyền dẫn ...................................................................... 55 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ 57 5.1. Kết luận .................................................................................................. 57 5.2. Hướng phát triển ..................................................................................... 57 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỬ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line APD Avalanche-Photo-Diode ASE Amplified Spontaneous Emission noise BER Bit Error Ratio BPSK Binary Phase Shift Keying BW BandWidth CD Chromatic Dispersion CO-OFDM Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Mutilplexing CP Cyclic Prefix DAB Digital Audio Broadcasting DAC Digital to Analog Converter DCF Dispersion-Compensating Fibers DD Direct Detector DFB Distributed Feedback Lasers DFT/IDFT Discrete Fourier Transform/ Invert Discrete Fourier Transform DGD Differential Group Delay DM Direct Modulator DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vii FEC Forward Error Correction FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT FWM Four-Wave Mixing GI Graded-Index Fibers GI Guard Interval GVD Group Velocity Dispersion I Inphase ICI Inter-Carrier Interference IM Intensity Modulator ISI Inter-Symbol Interference LAZER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LED Light Emitting Diode MCM Multi-carrier Modulator MZM Mach-Zehnder Modulator NLSE Non Linear Schrödinger Equation OFA Optical Fiber Amplifier OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial converter PAPR Peak-to-Average Power Ratio PMD Polarization Mode Dispersion PSK Phase-Shift Keying Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang viii Q Quadrature QAM Quadrature Amplitude Modulation R Responsivity RCP Remove Cyclic Prefix RF Radio Frequency Rx Receiver S Sensitivity S/P Serial to Parallel converter SBS Stimulated Brillouin Scattering SCM Single-Carrier Modulator SI Step-Index Fibers SNR Signal to Noise Ratio SOA Optical Semiconductor Amplifier SOA Optical Semiconductor Amplifier SPM Self-Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering Tx Transmitter WDM Wavelength Division Multiplexing XPM Cross-Phase Modulation Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang ......................................... 5 Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM ...................................................... 8 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM .................................. 10 Hình 2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM ........................................................ 11 Hình 2.4 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu ................................................................. 13 Hình 2.5 Bốn tập hợp tín hiệu QAM tám điểm (M=8) ........................................... 14 Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R. ............................... 15 Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao .............................................................. 16 Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R ................................................ 18 Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM ................................................................ 21 Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ............................................................................................ 22 Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số .................... 23 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................ 24 Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM.................................................... 25 Hình 3.6 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZN ...................................... 26 Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng .................................................. 28 Hình 3.8 Cấu trúc của Lazer DFB .......................................................................... 29 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang x Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator .................................................. 30 Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn ................................................................ 31 Hình 3.11 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi ............................................................ 31 Hình 3.12 Mô hình bộ thu quang kết hợp............................................................... 32 Hình 3.13 Tách sóng Coherrent Homodyne ........................................................... 34 Hình 3.14 Cấu trúc sợi quang ................................................................................ 36 Hình 3.15 Các loại sợi quang phân loại theo chiết suất của lõi ............................... 36 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng quang. ................................... 38 Hình 3.17 Tán sắc trong sợi quang ........................................................................ 38 Hình 3.18 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sóng. .......................................... 40 Hình 3.19 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến ........................................................... 41 Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống CO-OFDM................................................. 42 Hình 4.2: Mô hình bộ phát quang .......................................................................... 43 Hình 4.3: Khối điều chế tín hiệu OFDM ................................................................ 43 Hình 4.4 Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli .................................................... 44 Hình 4.5 Khối điều chế 16QAM 4R ...................................................................... 44 Hình 4.6 Khối thêm khoảng bảo vệ CP .................................................................. 45 Hình 4.7 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM ............... 46 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang xi Hình 4.8 Bộ điều chế pha – phase modulator ......................................................... 46 Hình 4.9 Bộ dịch pha – phase shift block ............................................................... 46 Hình 4.10 Mô hình truyền dẫn sợi quang ............................................................... 47 Hình 4.11 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink .......................... 48 Hình 4.13 Mô hình bộ khuếch đại EDFA............................................................... 48 Hình 4.14 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX .............................................. 49 Hình 4.15 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver.......................... 50 Hình 4.16 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver ................................................. 50 Hình 4.17 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx ................................................... 51 Hình 4.18 Phần thực và phần ảo ngõ vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM............. 51 Hình 4.19 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ..... 52 Hình 4.20 Giản đồ chòm sao tương ứng với phía phát và phía thu ......................... 52 Hình 4.21 Giản đồ chòm sao ở phía đầu thu .......................................................... 53 Hình 4.22 Giản đồ mắt tại phía thu ........................................................................ 54 Hình 4.23 Khảo sát BER dựa trên công suất đầu vào sợi quang ............................. 55 Hình 4.24 Khảo sát BER theo khoảng cách của hai phương pháp điều chế 4QAM và 16QAM ....................................................................................................... 56 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thông hiện nay sự đòi hỏi ngày càng cao về hệ thống truyền tải thông tin đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng về tốc độ và dung lượng của hệ thống. Vì vậy, hệ thống thông tin quang từ khi ra đời đến nay đã không ngừng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về một hệ thống mạng viễn thông có dung lượng lớn, tốc độ cao… và đã thay thế dần mạng lưới thông tin hiện tại. Hiện nay, nhiều kỹ thuật tiên tiến đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm khai thác triệt để khả năng truyền tải thông tin gần như vô tận mà hệ thống thông tin quang mang lại. Một trong những hệ thống thông tin quang thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển hiện nay là hệ thống Coherent Optical OFDM (CO-OFDM). Hệ thống này sử dụng kỹ thuật OFDM để xử lý tín hiệu trong miền điện nhằm nâng hiệu suất sử dụng phổ và có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm giảm tốc độ của hệ thống. Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM, chúng ta có thể nâng cao hiệu quả băng tần và giảm sự ảnh hưởng của tán sắc bằng cách sử dụng các bộ điều chế nhiều mức. Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM với cách bố trí giản đồ chòm sao hợp lý sao cho giảm được ảnh hưởng tán sắc đến hệ thống thông tin quang. Ngoài ra, đề tài còn tập trung khảo sát việc sử dụng bộ điều chế đa mức vào hệ thống CO-OFDM nhằm giảm băng thông, nâng cao tốc độ truyền và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Nội dung chính của đề tài bao gồm 5 chương và được tóm tắt như sau:  Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử và những điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang và kỹ thuật OFDM. Bên cạnh đó, trong chương này của đề tài cũng nêu lên ý tưởng chính của đề tài.  Chương 2 trình bày các vấn đề về lý thuyết cơ bản phương pháp điều chế QAM cũng như việc thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM.  Chương 3 trình bày chi tiết về các kỹ thuật và nguyên lý được sử dụng trong hệ thống CO-OFDM. Ngoài ra, trong chương này còn phân tích các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang.  Chương 4 trình bày phần mô phỏng và kết quả của việc ứng dụng bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và hệ thống CO-OFDM. Ngoài ra, trong chương này còn trình bày một số kết quả khảo sát việc sử dụng các bộ điều chế khác nhau vào hệ thống trên. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 2  Chương 5 là phần kết luận của đề tài. Trên cơ sở các kết quả đạt được, đề tài đưa ra các hướng có thể tiếp tục nghiên cứu. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung chính của chương 1 trình bày sơ lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, tiềm năng và xu hướng phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai. Bên cạnh đó, trong chương này cũng trình bày một cách tổng quan những đặc điểm nổi trội của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Đây là cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang để xây dựng lên hệ thống CO-OFDM. Cuối chương này sẽ trình bày ý tưởng chính của đề tài. 1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền tin. Đó là hệ thống truyền tin bằng ánh sáng cơ bản nhất mà con người đã phát minh ra. Những hệ thống mà người xưa sử dụng mà đa số chúng ta điều biết là các chòi lửa báo tin trong chiến trận và các ngọn hải đăng dẫn đường trên biển. Hệ thống truyền thông bằng ánh sáng ngày nay đã có nhiều bước phát triển vượt bậc giúp cho chúng ta truyền tải thông tin với tốc độ lên đến hàng Terabit trên giây với khoảng cách lên đến hàng ngàn Kilomet vượt qua tất cả các đại dương và châu lục trên thế giới. Các hệ thống thông tin quang ngày càng đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống truyền dẫn đường dài, tốc độ cao và tỷ lệ lỗi thấp. Chính vì vậy nó dần thống lĩnh toàn bộ hệ thống mạng viễn thông trên toàn thế giới. Để có được những kết quả như vậy hệ thống thông tin quang đã trải qua một quá trình phát triển và hoàn thiện. Chúng ta có thể tóm tắt bằng các cột mốc chính sau đây: - Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph). Hệ thống gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó. Thời gian đó tin tức được truyền với tín hiệu này vượt chặng đường 200 Km trong vòng 15 phút. - Năm 1854: John Tydall, nhà vật lý tự nhiên người Anh đã thực hiện thành công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi trường điện môi trong suốt. - Năm 1870: Cũng John Tydall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần. - Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ thống truyền thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone. Ông ta đã sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 4 mang tiếng nói đi. Ở đầu thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế