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 thế kỷ XX các hệ thống thông tin quang đầu tiên mới đƣợc thƣơng mại
hóa. Những năm đầu của thế kỷ 21, các hệ thống truyền thông quang WDM đã đạt mức
40 Gb/s, rồi sau đó là 1.6 Tb/s, 3.2 Tb/s…[1] Ta thấy, chỉ trong một thời gian rất ngắn,
khi mà công nghệ sợi quang phát triển mạnh mẽ kèm theo các công nghệ khuếch đại tín
hiệu quang tiên tiến ra đời thì các hệ thống truyền thông quang mới thật sự thể hiện đƣợc
những khả năng vƣợt trội của nó.
Khi khả năng truyền dẫn đã tạm đƣợc giải quyết nhờ sự ra đời của công nghệ
truyền dẫn sợi quang thì tốc độ chuyển mạch của các thiết bị điện tử để thích ứng với
công nghệ truyền thông tốc độ cao của sợi quang là điều cần thiết. Môi trƣờng truyền
dẫn là cáp sợi quang với băng thông cực lớn, còn tín hiệu vẫn đƣợc xử lý, thực hiện ở
trên nền điện tử đã có sẵn. Việc lựa chọn công nghệ nào để nâng cao hiệu suất sử dụng
cũng nhƣ khả năng thích ứng với hệ thống truyền dẫn sợi quang là điều quan trọng và
cần thiết. Các kỹ thuật ghép kênh vẫn đƣợc dùng cả trong miền điện lẫn miền quang

nhằm sử dụng tốt hơn nữa tài nguyên sẵn có và nâng cao tốc độ cho cả hệ thống.
Đề tài tiếp cận một kỹ thuật ghép kênh theo tần số tiên tiến để điều chế tín hiệu
trong miền điện trƣớc khi đƣa vào kênh truyền quang để truyền đi. Đó là kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing). Đây là kỹ thuật ghép kênh cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số, có thể
giải vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Tán sắc là hiện tƣợng gây ra giản
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 2

xung tín hiệu khi truyền trên kênh truyền quang làm giảm đáng kể chất lƣợng truyền dẫn
tín hiệu quang. Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm
giảm tốc độ của hệ thống. Kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trƣớc khi chuyển
thành tín hiệu quang để truyền đi sẽ làm cho thời gian mỗi symbol đƣợc kéo dài thêm, từ
đó có thể giảm đƣợc ảnh hƣởng của tán sắc trong sợi quang. Mục tiêu của đề tài là ứng
dụng kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang. Đây là sự kết hợp những ƣu điểm của cả
kỹ thuật OFDM và hệ thống thông tin quang.
Nội dung đề tài bao gồm 6 chƣơng và đƣợc tóm tắt nhƣ sau:


Chƣơng 1 trình bày ý tƣởng cũng nhƣ những những đặc điểm nổi bật của kỹ
thuật OFDM và kênh truyền sợi quang. Bên cạnh đó, trong chƣơng này đề tài
cũng nêu lên ý tƣởng chính.


Chƣơng 2 trình bày các vần đề lý thuyết cơ bản của kỹ thuật ghép kênh OFDM.


Chƣơng 3 trình bày chi tiết một hệ thống thông tin quang đơn kênh điển hình, từ
đó đi vào phân tích các ảnh hƣởng của kênh truyền sợi quang lên tín hiệu quang.



Chƣơng 4 trình bày về hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền trên kênh
truyền sợi quang. Trong chƣơng này, chủ yếu tập trung vào xây dựng, phân tích
nguyên lý hệ thống CO-OFDM (Coherent Optical OFDM).


Chƣơng 5 mô phỏng hệ thống CO-OFDM. Đây là chƣơng phân tích các mô hình
trong hệ thống nhƣ bộ thu, bộ nhận và kênh truyền sợi quang, qua đó trong
chƣơng này cũng trình bày một số kết quả mà đề tài đã thực hiện đƣợc.


Chƣơng 6 là phần kết luận của đề tài. Trên cơ sở các kết quả đạt đƣợc, đề tài đƣa
ra các hƣớng có thể tiếp tục nghiên cứu.

Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Nội dung chính của chƣơng 1 trình bày sơ lƣợc quá trình phát triển của hệ thống
thông tin quang, cũng nhƣ tiềm năng của các hệ thống truyền dẫn quang trong tƣơng lai.
Bên cạnh đó, trong chƣơng 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.
1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Các hệ thống thông tin đƣợc hiểu một cách đơn giản nhất là các hệ thống nhằm
truyền tín hiệu từ đầu này đến đầu kia và các hệ thống truyền thông quang cũng không
nằm ngoài nguyên lý cơ bản đó. Hệ thống thông tin quang là hệ thống sử dụng ánh sáng
để truyền tải thông tin. Các hệ thống này đƣợc phát triển rất nhanh và đang đƣợc ứng

dụng rộng rãi trong các mạng truyền dẫn từ những năm 1980 [4]. Trong những năm gần
đây, các hệ thống truyền thông quang đã có những tiến bộ vƣợt bậc, ngày càng đóng vai
trò chủ đạo trong các hệ thống truyền dẫn đƣờng dài, tốc độ cao và tỉ lệ lỗi thấp. Sau đây
là một vài cột mốc quan trọng của sự phát triển hệ thống truyền thông quang [1]:


1790: Clau De Chappe, kĩ sƣ ngƣời Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báo
gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó. Tin tức vƣợt qua chặng
đƣờng 200 km trong vòng 15 phút.


1870: John Tyndall nhà vật lý ngƣời Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn đƣợc
theo vòi nƣớc uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần.


1960: Theodor H.Maiman đƣa laser vào hoạt động thành công.


1966: Charles H.kao và Georce A.Hockham, hai kĩ sƣ phòng thí nghiệm
Stanrdard Telecommunications của Anh, đề xuất dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh
sáng. Nhƣng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chế nên suy hao
quá lớn (ở khoảng 1000dB/Km).


1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao
nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bƣớc sóng 1310nm.
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 4



1972: Loại sợi GI đƣợc chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].


1983: Sợi đơn mode (SM) đƣợc xuất xƣởng tại Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode đƣợc sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn
khoảng 0.2 dB/km ở bƣớc sóng 1550 nm và một số nghiên cứu gần đây cho biết
thì sợi dẫn quang đã đạt mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao dƣới 0.154 dB/km
[1][4].
Tốc độ đạt đƣợc trong các mạng truyền thông quang là rất lớn, hàng chục
đến hàng trăm Gb/s thậm chí hàng chục Tb/s. Hình 1.1 cho ta thấy, vào những
năm 1995 thì hệ thống quang WDM đã thƣơng mại hóa với tốc độ đạt 40 Gb/s.
Các hệ thống ghép kênh WDM đã đƣợc nghiên cứu và có rất nhiều kết quả thực
nghiệm với tốc độ lên đến hàng Tb/s vào những năm cuối của thế kỷ XIX [1].

Hinh 1. 1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
Đối với các hệ thống truyền thông tốc độ cao, khi tốc độ ký hiệu (symbol) lớn
hơn thời gian trễ của kênh truyền thì hệ thống sẽ bị can nhiễu liên ký hiệu (ISI). Nếu hệ
thống sử dụng là đơn sóng mang thì tốc độ ký hiệu trở nên quá ngắn để đáp ứng đƣợc
tốc độ cao. Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật đa sóng mang có hiệu quả tốt khi truyền dẫn
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 5

có tốc độ cao bằng cách truyền dữ liệu trên nhiều luồng song song có tốc độ thấp hơn.
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao, không những đáp ứng đƣợc với hệ
thống tốc độ cao mà còn sử dụng phổ tần hiệu quả do tính trực giao giữa các sóng mang

con. [1].

Hình 1. 2 Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến đã đƣợc biết đến rộng rãi
trong các hệ thống truyền thông số nhƣ: truyền thanh số (DAB), truyền hình số (DVB),
mạng cục bộ không dây IEEE 802.11 a/g/n (WiFi), mạng máy tính diện rộng không dây
IEEE 802.16 (WiMAX) [2][5]… Bên cạnh đó, truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tƣ (4G)
cũng hƣớng đến sử dụng kỹ thuật OFDM [2]. Hình 1.2 là một số chuẩn đã sử dụng kỹ
thuật OFDM.
Những ƣu điểm vƣợt trội mà kỹ thuật OFDM mang lại nhƣ: (1) Hiệu suất sử dụng
phổ tần cao nhờ tính trực giao của các sóng mang con, (2) khả năng chống nhiễu xuyên
liên ký tự ISI nhờ sử dụng khoảng bảo vệ CP (Cyclic Prefix). Với những ƣu điểm nổi
bật nhƣ trên, kỹ thuật OFDM đã và đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu, cải tiến ở nhiều nơi
trên thế giới [2].
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 6

1.3 Ý TƢỞNG ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, ý tƣởng đƣa kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện
trƣớc khi đƣa vào kênh truyền sợi quang đƣợc quan tâm. Kênh truyền sợi quang là kênh
truyền có tốc độ rất cao (lên đến hàng Tb/s), ít bị tác động bởi nhiễu và gần nhƣ không
bị tác động bởi điện từ trƣờng, suy hao thấp (< 0.2 dB/km) [4], tác động của kênh truyền
có thể xem nhƣ bất biến theo thời gian. Do đó hứa hẹn trong tƣơng lai gần, các hệ thống
truyền dẫn sợi quang sẽ thay thế toàn bộ các hệ thống mạng đƣờng trục hiện nay. Trong
các hệ thống truyền dẫn sợi quang, ngoài suy hao thì yếu tố trực tiếp ảnh hƣởng đến chất
lƣợng tín hiệu truyền trên đó là các loại tán sắc (tán sắc vận tốc nhóm – GVD, tán sắc
phân cực mode – PMD) [4], và các ảnh hƣởng của phi tuyến khi công suất quang đủ lớn.
Ảnh hƣởng của tán sắc nói chung là làm giãn độ rộng xung ngõ ra, gây nên nhiễu ISI.
Đối với các hệ thống tốc độ cao (trên 10 Gb/s) tác động của tán sắc là rất đáng kể, làm

giảm khoảng cách truyền dẫn cũng nhƣ chi phí lắp đặt thiết bị bù tán sắc sau mỗi chặng.
Việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào các hệ thống quang đã đƣợc thực nghiệm chứng
minh là giảm đƣợc các tác động do tán sắc gây ra, từ đó tăng khoảng cách truyền dẫn và
giảm chi phí lắp đặt các trạm lặp, trạm bù [8]…
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, mô phỏng bằng Matlab Simulink một hệ
thống ứng dụng kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu điện trƣớc khi đƣợc truyền trên
kênh truyền sợi quang. Qua đó, đề tài chứng tỏ đƣợc những ƣu điểm khi đƣa kỹ thuật
OFDM vào các hệ thống truyền dẫn quang nhƣ tăng tốc độ truyền dẫn, khả năng giải
quyết ISI khi so sánh với hệ thống đơn sóng mang ở cùng một tốc độ. Cuối cùng là
những ý tƣởng cải tiến để nâng cao hơn nữa hiệu suất sử dụng băng tần nhƣ giảm số
“zero” bảo vệ ở hai biên, giảm số pilot (tín hiệu biết trƣớc để ƣớc lƣợng đáp ứng kênh
truyền)…


Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 7

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO
Chƣơng này trình bày nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật OFDM, các thành phần
trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM. Cuối chƣơng, đề tài phân tích ƣu điểm
và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM.
2.1 TÓM TẮT LỊCH SỬ OFDM
Mặc dù kỹ thuật OFDM đƣợc phát minh từ những năm 1950, nhƣng hệ thống
không thể thực hiện vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách
chính xác, cũng nhƣ việc tách các sóng phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ
cho việc thực hiên hệ thống chƣa phát triển [7]. Tuy nhiên sau 20 năm đƣợc phát minh,
kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ và đƣợc ứng dụng rộng rãi
nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT. Cũng giống nhƣ kỹ
thuật CDMA, kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự [6].

Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng trong
modem tốc độ cao và trong truyền thông di động.
Đến những năm 1990 kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng trong truyền dẫn thông tin
băng rộng nhƣ HDSL, ADSL, VHDSL sau đó nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong phát
thanh số DAB và truyền hình số DVB [6].
Những năm gần đầy kỹ thuật OFDM đã đƣợc sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn
mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động
3.75G và 4G [2].
2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG KỸ THUẬT OFDM
2.2.1 Ý tƣởng
Ý tƣởng kỹ thuật OFDM là truyền dẫn đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau
trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao
đƣợc chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hƣởng của trễ đa
đƣờng và giúp chuyển đổi kênh fading chọn lọc thành kênh fading phẳng. Việc xếp
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 8

chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần đƣợc cấp phát dẫn đến hiệu suất sử
dụng phổ tần rất cao.
Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau
khi đƣợc tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (nhiễu ICI) và
miền thời gian (nhiễu ISI). Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn sử
dụng kỹ thuật OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con. Đặc biệt là tính khả
thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ƣu việt của VLSI.
Định nghĩa: Xét một tập các sóng mang con:






 




. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi [5] tr.25:
















 









(2. 1)
Và trong OFDM, tập các sóng mang con đƣợc truyền có thể đƣợc viết là:












(2. 2)
Trong đó:






 

 
(2. 3), và



là tần số offset
ban đầu.
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (2.1)
ta có:
















































































 


 





(2. 4)
Từ (2.4) ta thấy, nếu nhƣ các sóng mang con liên tiếp cách nhau một khoảng bằng
1/T, thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng chu kỳ symbol T.
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 9

2.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số
Tín hiệu OFDM đƣợc hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine tƣơng ứng
với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con đƣợc chọn là bội số
của nghịch đảo khoảng thời gian một symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số
nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol. Hình 2.1 biểu diễn sự trực giao của các sóng mang
con trong miền thời gian và tần số.

Hình 2. 1 Các sóng mang con trong miền thời gian và tần số
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.
Để dễ hình dung, ta hãy xem phổ 5 sóng mang con trực giao nhƣ ở Hình 2.2, mỗi
subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng „null‟ tại tất cả các tần số là bội số
của 1/T. Khi tín hiệu này đƣợc tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên
tục nhƣ Hình 2.2, mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu đƣợc lấy mẫu tại các giá trị
„null‟ nhƣ trong hình vẽ. Nếu DFT đƣợc đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng
lắp giữa các subcarrier không ảnh hƣởng tới bộ thu. Giá trị đỉnh đo đƣợc tƣơng ứng với
giá trị „null‟ của tất cả các subcarrier khác.
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 10


Hình 2. 2 Phổ các sóng mang con trực giao
2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM

Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối thu phát ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM điển
hình. Theo đó, dƣới đây trình bày vắn tắt chức năng các khối [6].

Hình 2. 3 Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệ thống OFDM trong miền RF
2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial
Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ
cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều
chế số, N là số sóng mang. k, N sẽ đƣợc chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc
Serial to
Parallel
Converter
Signal
Mapper
IFFT
Parallel
To Serial
Converter
Guard
Interval
Insertion
D/A &
Low pass
Filter
A/D
Guard
Interval
Removal
Serial to
Parallel
Converter

FFTEqualizer
Signal
Demapper
Parallel
To serial
Converter
Channel
c(t)
+
Serial
Data
input
Serial
Data
Output
OFDM Transmitter
OFDM Receiver
n
d
n
X
n
x
T
n
x
n
s
)(ts
n

r
)(tr
T
n
x
~
n
x
~
n
X
~
n
X
ˆ
n
d
ˆ
)(tn
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 11

độ đủ thấp, để băng thông sóng mang con tƣơng ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong
khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng.


Hình 2. 4 Bộ S/P và P/S
Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N
luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất. Hình 2.6 mô tả

bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và từ song song sang nối tiếp.
2.3.2 Bộ Mapper và Demapper

Hình 2. 5 Bộ Mapper và Demapper
Từng symbol b bit sẽ đƣợc đƣa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lƣợng
kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tƣơng ứng một trong M = 2
b
trạng thái hay một vị trí
trong giản đồ chòm sao (constellation). Bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong
giản đồ chòm sao thành symbol b bit tƣơng ứng. Các phép điều chế có thể có nhƣ:


BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0
0
hoặc
Parallel
To Serial
Converter
Serial to
Parallel
Converter
1 2
N
1 2
N
1
2
N
1
2

N
Döõ lieäu
song song
Döõ lieäu
noái tieáp
Döõ lieäu
song song
Döõ lieäu
noái tieáp
S
T
S
T
P
T
P
T
P
T
P
T
SP
NTT 
SP
NTT 
Signal
Mapper
Signal
Demapper
0

d
1
d
1N
d
0
X
1
X
1N
X
0
ˆ
X
1
ˆ
X
1
ˆ
N
X
0
ˆ
d
1
ˆ
d
1
ˆ
N

d
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 12

180
0
, tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb.


QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit), Baud = Rb/ 2.


8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3.


16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4.
2.3.3 Bộ IFFT và FFT

Hình 2. 6 Bộ IFFT và FFT
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu đƣợc truyền song
song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm đƣợc điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một
máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trƣờng hợp số kênh
phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện đƣợc.
Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT đƣợc dùng
để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong
mỗi kênh phụ. FFT/IFFT đƣợc xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép
biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ [6].
Ta gọi: Chuỗi tín hiệu vào





 
. Khoảng cách tần số giữa các sóng
mang là ∆f. Chu kỳ của một Symbol OFDM là T
s
. Tần số trên sóng mang thứ k là f
k
= f
0

+ k∆f. Khi đó, tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dƣới dạng [6]:
00
11
2 ( ) 2
2
00
( ) ( ) ( ) ,0
NN
j f k f t j f t
j k ft
s
kk
x t X k e e X k e t T







   

(2. 5)
Trong đó:













là tín hiệu băng gốc. (2. 6)
IFFT FFT
0
X
1
X
1N
X
0
x
1

x
1N
x
0
~
x
1
~
x
1
~
N
x
0
~
X
1
~
X
1
~
N
X
Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 13

Nếu lấy mẫu tín hiệu băng gốc với một chu kỳ T
s
/N, tức là chọn N mẫu trong một

chu kỳ tín hiệu, phƣơng trình (2.6) đƣợc viết lại nhƣ sau:
1
2/
0
( ) ( ) ( )
s
N
j nk fT N
n
a a s
N
k
x t x T X k e






(2. 7)
Nếu thỏa mãn điều kiện trực giao



tức là
 




thì các sóng mang sẽ
trực giao với nhau, lúc này công thức (2.7) đƣợc viết lại:
1
2/
0
( ) ( ) . {X(k)}
N
j nk N
a
k
x n X k e N IDFT





(2. 8)
Phƣơng trình (2.8) chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng
có chiều dài là N nhƣng trong miền thời gian.
Ở đầu thu, symbol
~ ~ ~
0 1 1
, , ,
N
x x x




chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu

OFDM x(t) trong miền thời gian. Phía thu làm ngƣợc lại so với phía phát, phép biến đổi
FFT đƣợc áp dụng cho symbol
~ ~ ~
0 1 1
, , ,
N
x x x




để thu lại symbol
~ ~ ~
0 1 1
, , ,
N
X X X




. Lý tƣởng thì
~
kk
XX
.

Tại bộ thu, bộ DFT đƣợc sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, trong trƣờng hợp lý tƣởng (
~

aa
xx
) ta có:

























 








































 




Kỹ thuật OFDM trong hệ thống thông tin quang

SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 14

1
0
( ) ( ) ( )
N
m
X m m k X k



  

(2. 9)
Ở đây, hàm

)( km 

là hàm delta, đƣợc định nghĩa là:









2.3.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI

Hình 2. 7 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal
Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thƣờng thấy trong các hệ thống truyền
thông, cũng nhƣ trong hệ thống OFDM là ISI và ICI.


ISI (Inter-Symbol Interference): nhiễu giao thoa liên ký tự, đƣợc định nghĩa là
xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol t
s
của các frame
FFT liên tiếp (trong miền thời gian) [7].


ICI (Inter-Carrier Interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, đƣợc định nghĩa
là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchannels) của cùng một frame
FFT (trong miền tấn số) [7].
Nhiễu ICI đƣợc loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập

tần số của các kênh phụ [2]. Nhiễu ISI sẽ gần nhƣ đƣợc loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng
số lƣợng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence
bandwith, tức là độ rộng của một symbol có ích t
s
sẽ lớn hơn trải trễ của kênh truyền.
Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải đƣợc chọn
tối ƣu, bộ Guard interval Insertion (Hình 2.8) đƣợc sử dụng nhằm kéo dài độ rộng
Gu a r d
In t e r va l
In s e r ti o n
S
T
s
t
G

s
t
Gu a r d
In t e r va l
Re m o v a l
S
T
s
t
G

s
t
T

n
x
n
s
n
r
T
n
x
~