Khóa luận Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGUYỄN THANH TÚ KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG & MẠNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. ThS. Đặng Lê Khoa 2. ThS. Nguyễn Anh Vinh Tp. Hồ Chí Minh – năm 2010 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang ii LỜI CẢM ƠN ời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô tại khoa Điện tử-Viễn thông cũng nhƣ ở trƣờng ĐH – Khoa Học Tự Nhiên Tp HCM đã ngày đêm dạy dỗ, cung cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn chúng em sẽ đƣợc trang bị một hành trang tốt nhất trƣớc khi bƣớc vào đời. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo ThS. Đặng Lê Khoa, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn và cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu quý giá, hƣớng dẫn chi tiết các bƣớc xây dựng mô hình mô phỏng giúp em hoàn thành đƣợc đồ án này. Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS. Nguyễn Anh Vinh, đồng hƣớng dẫn, cũng cung cấp cho em rất nhiều tài liệu, kiến thức và sự góp ý quý báu trong quá trình thực hiện đồ án. Con xin gửi lời cảm ơn đến Mẹ, ngƣời luôn động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình học tập, cũng nhƣ quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này của con. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, những ngƣời luôn dành cho tôi sự yêu thƣơng và luôn cổ vũ, động viên tôi trong những lúc khó khăn nhất. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhƣng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô cùng các bạn. Tp HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Tú L Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................... ix 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 THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM ....................... 4 1.3 Ý TƢỞNG ĐỀ TÀI ...................................................................................................... 6 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO .................. 7 2.1 TÓM TẮT LỊCH SỬ OFDM ...................................................................................... 7 2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM .................................................. 7 2.2.1 Ý tƣởng ................................................................................................................... 7 2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số ........................................ 9 2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM ..................................... 10 2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial ............... 10 2.3.2 Bộ Mapper và Demapper .................................................................................... 11 2.3.3 Bộ IFFT và FFT ................................................................................................... 12 2.3.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI ..................................................................... 14 2.3.5 Bộ Up-Converter và Down-Converter............................................................... 18 2.3.6 Bộ cân bằng (Equalizer) ...................................................................................... 18 2.3.7 Dung lƣợng của hệ thống OFDM ...................................................................... 19 2.4 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM .............................................. 19 2.4.1 Ƣu điểm ................................................................................................................ 19 2.4.2 Nhƣợc điểm .......................................................................................................... 20 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang iv CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ...................................................... 21 3.1 KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ................................................ 21 3.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG . 22 3.2.1 Bộ phát quang ...................................................................................................... 22 3.2.2 Bộ thu quang ........................................................................................................ 29 3.2.3 Kênh truyền quang .............................................................................................. 31 3.2.4 Bộ khuếch đại quang ........................................................................................... 33 3.3 CÁC HIỆU ỨNG TRUYỀN DẪN ........................................................................... 36 3.3.1 Các hiệu ứng tuyến tính ...................................................................................... 36 3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến ....................................................................................... 40 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ...................... 43 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDM TRÊN KÊNH TRUYỀN SỢI QUANG .............. 46 4.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERRENT ...................... 46 4.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF .......... 47 4.3 BỘ PHÁT QUANG .................................................................................................... 48 4.4 BỘ THU QUANG ...................................................................................................... 49 4.5 HỆ THỐNG COHERRENT OFDM (CO-OFDM) ................................................. 50 4.5.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang ....................................................... 51 4.5.2 Kỹ thuật tách sóng Coherrent ............................................................................. 52 4.6 TỈ SỐ BIT LỖI BER TRONG HỆ THỐNG CO-OFDM ....................................... 54 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ................................................................... 56 5.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM VÀ CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG ............ 56 5.1.1 Bộ phát ................................................................................................................. 57 5.1.2 Mô phỏng kênh truyền sợi quang ....................................................................... 64 5.1.3 Bộ thu quang coherrent ....................................................................................... 70 5.1.4 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng BER từ eye diagram .................................................. 75 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang v 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................................ 77 5.2.1 Hệ thống CO-OFDM với tốc độ 48 Gb/s .......................................................... 77 5.2.2 Hệ thống đơn sóng mang tốc độ 48 Gb/s .......................................................... 78 5.2.3 Hệ thống CO – OFDM loại bỏ khoảng bảo vệ ................................................. 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 84 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 84 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................................................. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 86 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4G 4 th Generation ADC Analog Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line APD Avalanche-Photo-Diode ASE Amplified Spontaneous Emission noise ASK Amplitude-Shift Keying 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 DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestria DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier FEC Forward Error Correction Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang vii FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT FSK Frequency-Shift Keying 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 OFDM Orthogonal Frequency Division Mutilplexing P/S Parallel to Serial converter PAPR Peak-to-Average Power Ratio PMD Polarization Mode Dispersion PSK Phase-Shift Keying Q Quadrature QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service R Responsivity RCP Remove Cyclic Prefix Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang viii 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 VHDSL Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language VLSI Very Large Scale Integration WDM Wavelength Division Multiplexing XPM Cross-Phase Modulation Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang ix DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hinh 1. 1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang .................................................. 4 Hình 1. 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa ................ 5 Hình 2. 1 Các sóng mang con trong miền thời gian và tần số ............................................. 9 Hình 2. 2 Phổ các sóng mang con trực giao ...................................................................... 10 Hình 2. 3 Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống OFDM trong miền RF ......................... 10 Hình 2. 4 Bộ S/P và P/S ..................................................................................................... 11 Hình 2. 5 Bộ Mapper và Demapper ................................................................................... 11 Hình 2. 6 Bộ IFFT và FFT ................................................................................................. 12 Hình 2. 7 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal .................................. 14 Hình 2. 8 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ ......................................................... 15 Hình 2. 9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng .......................................................... 16 Hình 2. 10 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix ............................... 16 Hình 2. 11 Bộ A/D và D/A ................................................................................................ 17 Hình 2. 12 Bộ Up-Converter và Down-Converter ............................................................ 18 Hình 3. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang ......................................................... 22 Hình 3. 2 Cấu trúc cơ bản bộ phát quang .......................................................................... 23 Hình 3. 3 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lƣợng ........................................................... 25 Hình 3. 4 Cấu trúc của Lazer DFB .................................................................................... 26 Hình 3. 5 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator .............................................................. 27 Hình 3. 6 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn [11] ................................................................ 28 Hình 3. 7 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi ........................................................................ 28 Hình 3. 8 Sơ đồ khối bộ thu quang .................................................................................... 29 Hình 3. 9 Cáp sợi quang .................................................................................................... 32 Hình 3. 10 (a) sợi đơn mode, (b) sợi đa mode SI, (c) sợi đa mode GI .............................. 32 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang x Hình 3. 11 (a) sợi SI, (b) sợi GI ......................................................................................... 33 Hình 3. 12 (a) Cấu trúc chung bộ khuếch đại, (b) cấu trúc bộ EDFA ............................... 34 Hình 3. 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang ...................................................... 37 Hình 3. 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bƣớc sóng quang ............................................. 37 Hình 3. 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang ....................................................................... 38 Hình 3. 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bƣớc sóng .................................................... 40 Hình 3. 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến ..................................................................... 41 Hình 3. 18 Nguyên tắc tính BER dựa vào phân bố xác suất của bit „1‟ và bit „0‟ ............ 44 Hình 4. 1 Mô hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát .................... 47 Hình 4. 2 Mô hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu ............... 48 Hình 4. 3 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZM ............................................... 49 Hình 4. 4 Mô hình bộ thu quang kết hợp ........................................................................... 50 Hình 4. 5 Mô hình hệ thống CO-OFDM ........................................................................... 51 Hình 4. 6 Tách sóng Cohereent Homodyne ...................................................................... 54 Hình 5. 1 Mô hình hệ thống CO – OFDM ........................................................................ 57 Hình 5. 2 Bộ phát quang .................................................................................................... 57 Hình 5. 3 Điều chế tín hiệu OFDM ................................................................................... 58 Hình 5. 4 Tốc độ lấy mẫu thiết lập 24 GHz [Matlab Simulink] ........................................ 59 Hình 5. 5 Tốc độ hệ thống là 48 Gb/s sử dụng phép điều chế QAM ................................ 59 Hình 5. 6 Sử dụng IFFT để tạo tín hiệu OFDM [Matlab Simulink] ................................. 60 Hình 5. 7 Phần thực và phần ảo của tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ IFFT ............................ 61 Hình 5. 8 Biểu diễn tín hiệu thực và ảo OFDM rời rạc trong miền thời gian ................... 61 Hình 5. 9 Phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM .................................................... 62 Hình 5. 10 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zehnder Modulator MZM ........................ 63 Hình 5. 11 Bộ điều chế pha – phase modulator ................................................................. 63 Hình 5. 12 Bộ dịch pha – phase shift block ....................................................................... 64 Hình 5. 13 Mô hình kênh truyền quang ............................................................................. 65 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang xi Hình 5. 14 Mô tả phƣơng pháp S-SSF .............................................................................. 68 Hình 5. 15 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink .................................. 68 Hình 5. 16 Mô hình bộ khuếch đại EDFA ......................................................................... 69 Hình 5. 17 Tín hiệu tại ngõ vào và ra tƣơng ứng trên sợi quang ....................................... 70 Hình 5. 18 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX ....................................................... 71 Hình 5. 19 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver .................................. 72 Hình 5. 20 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver .......................................................... 72 Hình 5. 21 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx ............................................................ 73 Hình 5. 22 Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ..................................................................... 74 Hình 5. 23 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM ............ 74 Hình 5. 24 Giản đồ chòm sao tƣơng ứng với phía phát và phía thu .................................. 75 Hình 5. 25 Ƣớc lƣợng BER từ giản đồ mắt ....................................................................... 76 Hình 5. 26 Mối quan hệ giữa BER và Q ........................................................................... 76 Hình 5. 27 Giản đồ chòm sao tại bộ thu ............................................................................ 77 Hình 5. 28 Giản đồ mắt tại bộ thu ..................................................................................... 78 Hình 5. 29 Sự phụ thuộc BER của hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang vào độ chênh lệch chiều dài giữa sợi DCF với sợi SMF .......................................................... 79 Hình 5. 30 BER phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn không áp dụng kỹ thuật bù tán sắc của hai hệ thống CO-OFDM và hệ thống đơn sóng mang .......................................... 80 Hình 5. 31 Giản đồ chòm sao và giản đồ mắt của hệ thống CO-OFDM khi loại bỏ các khoảng „zero‟ ..................................................................................................................... 82 Hình 5. 32 BER của hai hệ thống CO-OFDM và CO-OFDM đã bỏ khoảng bảo vệ ........ 83 Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 1 MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con ngƣời về trao đổi thông tin ngày càng lớn. Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lƣới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lƣợng lớn. Các hệ thống truyền dẫn điện ngày càng rơi vào trạng thái „bão hòa‟, hay nói cách khác tốc độ cho phép của môi trƣờng truyền dẫn điện chỉ nằm trong một giới hạn cho phép (hàng chục Gb/s). Trong khi đó, yêu cầu truyền dẫn của các mạng lƣới viễn thông ngày nay đã lên tới hàng Tb/s và thậm chí hơn. Việc ra đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần nhƣ vô hạn đã phần nào đáp ứng đƣợc nhu cầu đó [1]. Ý tƣởng dùng ánh sáng để truyền tin ra đời từ khoảng thế kỷ thứ XVI, tuy nhiên mãi đến những năm cuối th