Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật OFDM trong hệ thống truyền dẫn quang

- Lê Xuân Hòa NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG TRUYN DẪN QUANG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HC Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông NGƯỜI HƯNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- Lịch sử ca thông tin quang .
- Chuyển đổi bc sóng trong các mng WDM .
- nh hng do xuyên nhiễu .
- nh hng do tán sc .
- nh hng do hiệu ng phi tuyn .
- Kỹ thuật OFDM .
- Phng pháp điều ch đa sóng mang trực giao OFDM .
- Lý thuyt điều ch OFDM .
- B điều ch OFDM iii2.2.3.2.
- Điều ch OFDM bằng phép IFFT .
- Thực hiện điều ch OFDM nh IFFT .
- Lý thuyt gii điều ch OFDM .
- Kh năng ng dng OFDM trong thông tin quang Tài liệu tham khảo CHƯNG III.
- K THUT OFDM TRONG THÔNG TIN QUANG .
- Kỹ thuật OFDM quang kt hp .
- Nguyên lý ca phng pháp OFDM quang kt hp .
- Phân tích méo gia hai ln điều ch ca hai sóng mang con .
- Sự bù phi tuyn ca b thu xử lý tín hiệu số trong CO-OFDM .
- Kỹ thuật OFDM quang tách sóng trực tip .
- DDO-OFDM ánh x tuyn tính .
- SSB-OFDM quang băng c s .
- SSB-OFDM o .
- DDO-OFDM ánh x phi tuyn .
- OFDM cho ng dng cáp đn mode cự li ngn Tài liệu tham khảo KT LUN ivBNG DANH SÁCH CÁC CH VIT TT AM Amplitude Modulation Điều ch biên đ AMO-OFDM Adaptively modulated optical OFDM Điều ch OFDM quang thích nghi ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên đ BER Bit error ratio T số lỗi bit CO-OFDM Coherent Optical OFDM OFDM quang kt hp CompSSB- OFDM Compatible SSB-OFDM SSB-OFDM tng thích DPSK Differential Phase-Shift Keying Khóa dịch pha vi sai DAC/ADC Digital-to-Analog/Analog-to-Digital Converter B chuyển đổi số - tng tự/tng tự - số DSP Digital Signal Processing Khối xử lý tín hiệu số DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier ri rc DDO-OFDM Direct detection optical OFDM Tách sóng trực tip OFDM quang EDFA Erbiumdoped Fiber Amplifier B khuch đi quang pha tp EDC Electronic Dispersion Compensation Sự bù phân tán điện tử FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tn số FFE Feed-Forward Equalizer B cân bằng chuyển tip feed FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FM Frequency Modulation Điều ch tn số FSK Frequency Shift Keying Điều ch dịch tn IM Intensity Modulation Điều ch cng đ ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên sóng mang ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự vITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc t IDFT Inverse DFT DFT ngc IFFT Inverse FFT FFT ngc IPTV Internet Protocal Television Truyền hình Internet LAN Local Area Network Mng ni b LM-DDO-OFDM Linearly mapped DDO-OFDM DDO-OFDM ánh x tuyn tính MZM Mach-Zehnder Modulator B chuyển đổi tuyn tính gia tín hiệu RF và tín hiệu quang NRZ Non-Return-to-Zero Mã hóa không tr về 0 NDSF Nondispersion-Shifted Fiber Si cáp không tán sc dịch NLM-DDO-OFDM Nonlinearly mapped DDO-OFDM DDO-OFDM ánh x phi tuyn OA Optical Amplifier B khuch đi quang OTR Optical – to – RF Khối chuyển đổi từ tín hiệu quang xuống tín hiệu RF OADM Optical Add/Drop Modulator B thêm bt quang OCDM Optical Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã quang OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tn số trực giao OMUX Optical Multiplex Ghép kênh quang OSNR Optical signal-to-noise ratio T số tín hiệu/nhiễu quang OTDM Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thi gian quang PC Phase Conjugator Khối kt nối pha PM Phase Modulation Điều ch pha viPDL Polarization Dependent Loss Phn tử suy gim ph thuc phân cực PMD Polarization Mode Dispersion Sự tán sc phân cực mode PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ số công sut đỉnh trên công sut trung bình QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều ch biên đ cu phng QPSK Quaternary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RZ Return-to-Zero Mã hóa tr về 0 RTO RF – to – optical Khối chuyển đổi tín hiệu RF lên tín hiệu quang ROADM Reconfigurable optical add–drop multiplexer B ghép kênh thêm, bt quang có thể cu hình li SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh đa sóng mang SDR Software-Defined Radio Phát thanh điều khiển bằng phn mềm SPM Self phase modulation Phng pháp điều ch đồng pha SSB Single Sideband Điều ch đn biên SDOT Software-Defined Optical Transmission Truyền dn quang điều khiển bằng phn mềm SSB-OFDM Single-sideband OFDM OFDM đn biên TDM Time division multiplexing Ghép kênh phân chia thi gian VSB Vestigial SideBand Biên tn ct VSSB-OFDM Virtually SSB-OFDM SSB-OFDM o WDM Wavelength-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bc sóng viiWiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Mng thông tin thành thị băng rngXC- OFDM Cross-channel OFDM OFDM xuyên kênh viiiDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Biểu diễn tốc đ d liệu/kênh và số lng kênh.
- 5 Hình 1.2: Biểu diễn sự tăng trng về lu lng truy cập Internet.
- 6 Hình 1.3: Sự kt hp ca các b ROADM trong mng quang.
- 8 Hình 1.4: S đồ truyền dn quang điều khiển bằng phn mềm SDOT.
- 10 Hình 2.1: Hình v biểu diễn khu vực suy hao thp ca mt si quang.
- 17 Hình 2.2: Hình v biểu diễn mt si quang cha đựng nhiều bc sóng.
- 19 Hình 2.3: Hệ thống DWDM và các b khuch đi quang.
- 20 Hình 2.4: Hình v mng Broadcast-and-slect sử dng kiểu star topology.
- 24 Hình 2.5: Hình v mng Broadcast-and-slect sử dng kiểu Bus topology.
- 25 Hình 2.6: Kin trúc node trong mng wavelength routed WDM.
- 27 Hình 2.7: Hình v mng WDM định tuyn bc sóng.
- 28 Hình 2.8: Hình v thể hiện sự ràng buc liên tc ca bc sóng.
- 29 Hình 2.9: Kin trúc node có trang bị chuyển đổi bc sóng  đu vào.
- 30 Hình 2.10: Các loi chuyển đổi bc sóng.
- 31 Hình 2.11: Mật đ phổ năng lng ca tín hiệu điều ch đa sóng mang OFDM..
- 39 Hình 2.12: Phổ tín hiệu OFDM.
- 40 Hình 2.13: So sánh kỹ thuật đa sóng mang FDM vi OFDM.
- 42 Hình 2.14: S đồ khối điều ch OFDM.
- 43 Hình 2.15: Chèn chuỗi bo vệ.
- 45 Hình 2.16: Tác dng chống nhiễu ISI ca chuỗi bo vệ.
- 46 Hình 2.17: Khối điều ch OFDM bằng IFFT.
- 50 Hình 2.18: Mô hình hệ thống truyền tin.
- 51 Hình 2.19: S đồ khối gii điều ch OFDM.
- 52 Hình 2.20: Mô t sự tách chuỗi bo vệ  b gii điều ch OFDM.
- 53 Hình 2.21: S đồ khối b gii điều ch OFDM dùng FFT.
- 56 Hình 2.22: Phng pháp chọn các dãy truyền thành phn.
- 59 ix Hình 3.1: Phổ quang ca các kênh CO-OFDM, WDM, XC-OFDM Hình 3.2: Hệ thống CO-OFDM Hình 3.3: Kin trúc thống CO-OFDM Hình 3.4: Công sut đu ra th nht, th hai, th ba là hàm ca chỉ số M(dB Hình 3.5: Hàm chuyển đổi ca cng đ quang và trng quang Hình 3.6: Hệ thống truyền dn vi kt nối pha gia các đon Hình 3.7: Phng pháp Fourier chia nhỏ đối vi sự truyền lan ca tín hiệu Hình 3.8: Hệ số phẩm cht Q là hàm ca công sut đu vào Hình 3.9: Di đng OSNR là hàm ca số bc Hình 3.10: Hệ số phẩm cht Q là hàm ca hệ số phi tuyn β vi số bc Hình 3.11: Minh họa ca LM-DDO-OFDM, phổ ca OFDM quang Hình 3.12: Hệ thống thông tin quang cự li dài DDO-OFDM Hình 3.13: Hiệu sut ca hệ thống theo đ nén sóng mang  DDO-OFDM có bù ..85 Hình 3.14: Hệ số phẩm cht ph thuc vào công sut đa vào Hình 3.15: Phổ quang ca SSB-OFDM quang băng c s Hình 3.16: Nguyên lý ca (a) SSB-OFDM băng c s, (b) OFDM-A Hình 3.17: Dng phổ RF cho RFT-OFDM  hai cu hình OFDM-A và OFDM-B .88 Hình 3.18: Đ nhy BER cho RFT-OFDM-A và OFDM-B Hình 3.19: Cu trúc b phát ca VSSB-OFDM Hình 3.20: Hiệu năng lỗi bít BER ca VSSB-OFDM Hình 3.21: So sánh phổ quang gia NLM-DDO-OFDM và SSB-DDO-OFDM .....93 Hình 3.22: Phổ quang và phổ điện ca offset SSB-OFDM và CompSSB-OFDM ..95 Hình 3.23: Đ nhy OSNR ph thuc vào tán sc Hình 3.24: Thử nghiệm IM-DDO-OFDM Hình 3.25: Mt ví d cho việc sử dng các dng điều ch khác nhau LỜI M ĐU Trong trng điện từ tồn ti hai cửa sổ khá ln dành cho truyền thông băng rng hiện đi.
- Cửa sổ đu tiên cung cp các ng dng trong cuc sống hàng ngày ca chúng ta nh: phát thanh và truyền hình qung bá, mng LAN và thông tin di đng.
- Các ng dng này cung cp cho ngi dùng đu cuối kh năng truy cập các mng thông tin vi khong cách không xa hay tính di đng trong các hệ thống không dây.
- Ngc li, trong cửa sổ th 2, băng thông ln cỡ Thz, hệ thống sóng ánh sáng có thể cung cp dung lng hn 100Tb/s.
- Thực t, các hệ thống thông tin quang hay hệ thống cáp quang đã tr nên cn thit nh mng đng trc ca c s h tng thông tin hiện đi ngày nay.
- Các ng dng hình nh nổi lên mi nht nh IPTV s to nên sc ép cho c s h tng mng thông tin bên di.
- Kỹ thuật điều ch số có thể chia ra làm 2 loi: điều ch đn sóng mang và điều ch đa sóng mang.
- Điều ch đn sóng mang là phng thc điều ch mà d liệu đc mang trên mt sóng mang duy nht.
- Đây là dng điều ch rt quen thuc đc áp dng trong thông tin quang hn 3 thập k qua và đã đt đc rt nhiều thuận li trong nhng năm gn đây, đồng thi cũng đã có sự thay đổi định dng thông thng NRZ (Non-Return-to-Zero), bao gồm RZ (Return-to-Zero), lỡng cực hai mc, DPSK (Differential Phase-Shift Keying) và QPSK (Quaternary Phase-Shift Keying).
- Còn phng thc điều ch đa sóng mang thì d liệu đc mang trên rt nhiều sóng mang con và kỹ thuật ghép kênh phân chia tn số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là mt trng hp đặc biệt ca hệ 2thống đa sóng mang, và gn đây nó đã nhận đc sự quan tâm ca cng đồng truyền thông tin quang, đặc biệt sau khi nó đc đề xut nh là các đng tryền ti dài trong việc tách sóng trực tip và tách sóng kt hp.
- Các thí nghiệm trong truyền dn OFDM quang kt hp (CO-OFDM) tốc đ 100 Gb/s bi các nhóm khác nhau đã đa OFDM quang vào cuc đua cho các th hệ tip theo ca truyền dn Ethernet 100 Gb/s.
- OFDM đã tr thành kỹ thuật điều ch hàng đu trong lĩnh vực vô tuyn.
- Không ly làm ngc nhiên khi kỹ thuật OFDM đc áp dng cho mng di đng th hệ 4G và mng thông tin thành thị băng rng không dây khong cách ln (WiMAX, hoặc IEEE 802.16).
- Mặc dù OFDM quang mi xut hiện gn đây, nhng nó đã k thừa đc từ nhng cuc tranh luận kéo dài hn mt thập k qua trong thông tin vô tuyn về kỹ thuật truyền đn sóng mang và đa sóng mang.
- OFDM có li th khi sử dng phép bin đổi Fourier nhanh (FFT), vi sóng mang đn kt hp tiền tố lặp có thể đt đc trong kỹ thuật này.
- Xét về bn cht ca phng thc điều ch đa sóng mang thì OFDM có 2 đặc tính kỹ thuật thuận li sau.
- Trc tiên so vi truyền dn đn sóng mng thì OFDM có sự phân chia phổ đc m rng từ các sóng mang con chia nhỏ ti mt băng thông con và toàn b phổ OFDM, nó cung cp kh năng linh đng cao  các thit bị cũng nh các hệ thống con hay các hệ thống thit k theo mc.
- Th hai là sự thích ng ca các sóng mang con hoa tiêu dn đng pilot đồng thi vi các sóng mang d liệu có th rt nhanh và các phng pháp thích hp cho c lng kênh và pha.
- OFDM quang có c các điểm tng đồng và khác biệt so vi OFDM vô tuyn RF.
- Hay nói cách khác, OFDM quang chịu đc hai vn đề rt tốt, đó là tỉ số công sut đỉnh trên công sut trung bình cao (PAPR) và nhy vi nhiểu pha/tn số.
- Mt trong nhng khác biệt nổi bật là sự tồn ti ca kênh quang phi tuyn và sự tng tác phc tp ca nó vi tán sc si quang, đó là nhng cái không tồn ti trong các hệ thống vô tuyn RF.
- Hn th na, 3trong các hệ thống vô tuyn RF, tính cht phi tuyn xy ra  b khuch đi công sut RF ni mà mt b lọc thông di không thể loi bỏ đc sự rò rỉ băng tn vt quá do suy hao b lọc không thể chp nhận đc.
- Tuy nhiên, trong hệ thống OFDM quang, b khuch đi quang pha tp EDFA (là b khuch đi quang phổ bin nht hiện nay) là hoàn toàn tuyn tính bt kể mc đ bão hòa, và nó sử dng vi mt b ghép kênh đa bc sóng có thể loi bỏ đc sự rò rỉ ngoài băng tn.
- Luận văn đc chia làm 3 chng bao gồm: Chng 1: Gii thiệu chung về Lịch sử ca thông tin quang, xu hng phát triển trong tng lai cũng nh mc tiêu và ni dung nghiên cu chính ca đề tài.
- Chng 2: C s lý thuyt về Nguyên lý truyền dn quang trong đó đi sâu tìm hiểu kỹ thuật ghép kênh theo bc sóng WDM.
- kỹ thuật OFDM trong các hệ thống thông tin vô tuyn.
- Chng 3: Nghiên cu các kỹ thuật OFDM quang bao gồm kỹ thuật OFDM quang kt hp và OFDM quang tách sóng trực tip, nhằm phân tích đánh giá nhng u nhc điểm ca từng phng pháp và kt qu đt đc ca các phng pháp đó.
- Lịch s ca thông tin quang Việc sử dng ánh sáng nh mt phng tiện truyền thông là rt tự nhiên và có thể đc tìm thy từ nhiều nền văn minh.
- Ví d: dọc theo Vn lý trng thành ca Trung Quốc là mt hệ thống truyền thông tng đối tinh vi gồm các tháp cnh báo vi rt nhiều cách thc giống nh hệ thống thông tin quang hiện đi.
- Sử dng mu ca khói hay số lng đèn để thông báo kích cỡ ca đối tng xâm nhập là mt phng pháp thô ca tín hiệu đa mc.
- Tng tự vi hệ thống truyền thông ca ngày nay, các tháp cnh báo đc định vị dọc theo Vn lý trng thành và các khong bo vệ  mỗi tháp, khi nhìn thy tín hiệu từ tháp phía trc, nó s gửi mu tín hiệu tng tự đn tháp tip theo.
- Hệ thống truyền thông tin quang đã ly li đc chỗ đng rt nhanh sau khi điện báo, điện thoi và các mng vô tuyn ra đi vào nửa đu th k 20.
- Tuy nhiên, vào cuối th k 20, khi mà các hệ thống c bn về điện đã đt đn mt điểm bão hòa về năng lực và hng tip cận.
- Mt hệ thống truyền dn đồng trc đặc biệt hot đng  tốc đ 200 Mb/s cn phi đc phát lặp li ti mỗi km, điều đó s làm tăng chi phí vận hành.
- Xu hng tt yu là phi nghiên cu các hệ thống thông tin sóng ánh sáng, trong đó tốc đ d liệu có thể đc tăng lên đáng kể.
- Nhng tr ngi còn li là tìm ra mt bc sóng ánh sáng thích hp cho môi trng truyền dn.
- Các nhà nghiên cu đã dự đoán trc đối vi si quang dùng cho viễn thông kéo dài hn 5 năm là 20 dB/km, và hiện ti các đặc tính kỹ thuật ca si quang đn mode có suy hao là 0,2 dB/km.
- Mặc dù suy hao ca nó rt thp so vi các hệ thống vô tuyn RF, hệ thống quang vn tái to li tín hiệu  khong cách nhỏ hn 100 km.
- Cuối thập k 80 và đu nhng năm 90 ca th k 20, hệ thống truyền thông tách sóng kt hp đã đc gii thiệu để nâng cao khong cách truyền [11,12,19].
- Sự xut hiện ca b khuch đi quang báo hiệu mt k nguyên mi ca truyền thông tin quang.
- đó mt số lng ln các tín hiệu ghép kênh phân chia theo bc sóng (WDM) có thể đc truyền qua hàng nghìn kilomet [7].
- Hình 1.1: Biểu diễn tốc độ dữ liệu/kênh và số lượng kênh trong các hệ thống truyền dẫn quang Tốc đ d liệu/kênh tăng dn biểu diễn trên trc x, số lng kênh chiều dài bc sóng trong mt si quang đc biểu diễn trên trc y.
- Vào đu nhng năm 1990, kh năng ca hệ thống kênh truyền đn đã đt đn 10 Gb/s.
- Hệ thống khuch đi đc đa vào sử dng và ngay lập tc đã tăng công sut thông qua hệ thống WDM.
- Năm 2003, hệ thống WDM đc triển khai rng rãi vi tốc đ 40 Gb/s cho Tốc đ d liệu/kênh (Gb/s) Số lng kênh truyền 6mỗi kênh.
- Kh năng truyền vi tốc đ 100 Tb/s đặt ra mt thách thc cho cng đồng truyền thông quang, đòi hỏi sự đổi mi ca khuch đi quang, dng điều ch hay thit k si quang.
- Xu hng phát triển Sự xut hiện ca internet về c bn đã làm thay đổi c s h tng truyền thông thông tin bên di.
- Tốc đ tăng trng băng thông đã dn đn việc xây dựng truyền thông toàn cu vào cuối thập niên 1990 và đu thập niên 2000, trùng hp vi sự tin b kỹ thuật cực kỳ nhanh trong thông tin quang đc n định bi các hệ thống khuch đi quang.
- 2: Biểu diễn sự tăng trưởng về lưu lượng truy cập Internet Hình 1.2 biểu diễn dự án ca Cisco về lu lng truy cập Internet đn năm 2011 [4], trong đó cho thy sự tăng trng băng thông ca mt yu tố gp 2 ln mỗi năm.
- Đây là sự tăng trng phi thng đã to áp lực rt ln đối vi c s h tng thông tin  mọi cp đ, từ mng lõi đn mng metro và mng truy cập

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt