NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ OFDM QUANG và ỨNG DỤNG vào hệ THỐNG TRUYỀN dẫn vô TUYẾN QUA sợi QUANG

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng hiện đang phát triển rất mạnh mẽ. Yêu
cầu về khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp (kết hợp các loại dịch vụ
thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ gia tăng khác) khiến cho
dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng. Sự gia
tăng về dung lượng truyền dẫn sẽ dẫn tới phải sử dụng tần số hoạt động cao hơn và các
tế bào vô tuyến nhỏ hơn. Nhưng các tế bào vô tuyến nhỏ hơn đồng nghĩa với việc cần
một số lượng lớn các trạm gốc và các điểm truy nhập vô tuyến để đạt được vùng phủ
sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống.
Bên cạnh đó, truyền thông sợi quang đang trở nên phổ biến hơn bởi nhiều ưu điểm
mà nó mang lại như băng thông cực rộng, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Tuy
rằng phương thức này vẫn có những nhược điểm nhất định trong lắp đặt, bảo dưỡng
cũng như giá thành so với việc triển khai cáp đồng, nhưng đặc điểm về băng thông
rộng của sợi quang thì không có một môi trường nào có thể so sánh được. Chính vì
vậy, sợi quang từ lâu đã được xem là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng
một cách hiệu quả.
Một trong những phương pháp để xây dựng hệ thống mạng truy nhập vô tuyến
băng thông rộng là kết hợp với kĩ thuật truy nhập bằng sợi quang. Kĩ thuật truyền sóng
vô tuyến qua sợi quang (RoF) đã ra đợi và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho
mạng truy nhập không dây băng thông rộng của tương lai. Mặt khác, chúng ta đều biết
kĩ thuật OFDM quang là một kĩ thuật phổ biến với rất nhiều ưu điểm. Do đó việc kết
hợp OFDM quang và RoF được xem là một giải pháp mang lại hiệu quả cao cho
truyền dẫn vô tuyến băng rộng. Đây cũng chính là lí do để em lựa chọn đề tài “Nghiên
cứu công nghệ OFDM quang và ứng dụng trong truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang”.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Công nghệ OFDM quang
Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

Chương 3: Ứng dụng kĩ thuật OFDM quang trong RoF
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như
chuyên môn nên đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Eam rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp quy báu của thầy cô để bài đồ án của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án này, trước tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hướng
dẫn và chỉ bảo tận tình của thấy giáo-TS. Hoàng Văn Võ. Thầy đã giúp đỡ em rất nhiều
trong việc định hướng đề tài, giảng giải cho em những kiến thức liên quan đồ án.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong Học viện
đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt 4 năm học Đại học để em có
thể hoàn thành tốt được đồ án tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những thành viên trong nhóm. Mọi
người đã giúp đỡ em trong quá trình xây dựng và hoàn thiện đồ án này.
Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, cảm ơn bố
mẹ vì trong suốt khoảng thời gian qua đã hết sức tạo điều kiện để con có thề hoàn
thành đồ án tốt nghiệp này một cách tốt nhất.

Sinh viên thực hiện

Trịnh Hùng Cường

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

MỤC LỤC

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 3


Đồ án tốt nghiệp Đại học
biểu

Danh mục hình vẽ, bảng

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 4

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ tiếng Anh
Thuật ngữ
viết tắt
ADC
Analog Digital Converter
Asymmetric Digital Subscriber
ADSL
Line
ASK
Amplitude Shift Keying
BER
Bit Error Rate
BPSK
Binary Phase Shift Keying
BS
Base Station
CNR
Carrier-to-Noise Ratio
CS
Central Station
DAB
Digital Audio Broadcasting
DAC
Digital to Analog Converter

Discrete Fourier Transform/
DFT/ IDFT
Invert Discrete Fourier Transform
DVB
Digital Video Broadcasting
Dense
Wavelength
Division
DWDM
Multiplexing
EDFA
FFT/ IFFT
FM
FSR
ICI
IMD
IM-DD
ISI
LO
MCM
MZM
O\E
OFDM
PD
PLL
PM
POF

Thuật ngữ tiếng Việt
Chuyển đồi tương tự sang số

Đường thuê bao số bất đối xứng
Khoá dịch biên độ
Tỉ số lỗi bit
Khoá dịch pha nhị phân
Trạm gốc
Tỉ số sóng mang trên tạp âm
Trạm trung tâm
Quảng bá Audio số
Chuyển đổi từ số sang tương tự
Biến đổi Fourier thuận/ đảo

Quảng bá video số
Ghép kênh phân chia theo bước
sóng
Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp
Erbium-doped Fiber Amplifier
Erbium
Biến đổi Fourier nhanh thuận/
Fast Fourier Transform/ Invert FFT
đảo
Frequency Modulation
Điều chế tần số
Free Spectral Range
Dải phổ tự do
Inter-Carrier Interference
Nhiễu kênh lân cận
Intensity Modulation Depth
Độ sâu điều chế cường độ
Intensity Modulation with Direct Điều chế theo cường độ - tách
Detection

sóng trực tiếp
Inter-Symbol Interference
Nhiễu liên kí tự
Local Oscillator
Bộ dao động nội
Multi-carrier Modulator
Điều chế đa sóng mang
Mach Zehnder Modulator
Bộ điều chế MZM
Opto-Electrical
Quang – điện
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số
Mutilplexing
trực giao
Photodetector
Bộ tách quang
Phase Locked Loop
Vòng khoá pha
Phase Modulation
Điều chế pha
Polymer Optical Fiber
Sợi quang Polymer

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

QAM
QoS
QPSK
RAP
RAU

Quadrature Amplitude Modulation
Quanlity of Services
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Access Point
Radio Access Unit

SCM

Sub-Carrier Multiplexing

SER
SFDR
SIR
SSB

Symbol Error Rate
Spurious Free Dynamic Range
Signal-to-Interference Ratio
Single Side Band

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Thuật ngữ viết tắt

Tỷ số công suất đỉnh/ trên công
suất trung bình
Điều chế biên độ trực giao
Chất lượng dịch vụ
Khoá chuyển pha trực giao
Điểm truy nhập vô tuyến
Điểm truy nhập vô tuyến
Ghép kênh phân chia theo sóng
mang
Tỉ số lỗi kí tự
Dải động tự do giả
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Dải biên đơn

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG
Nội dung chính của chương 1 là trình bày khái niệm, lịch sử công nghệ OFDM,
nguyên lí OFDM và công nghệ OFDM quang. Ngoài ra cuối chương đề tài phân tích
ưu nhược điểm của OFDM cũng như nêu sự khác biệt giữa OFDM quang và OFDM
vô tuyến.

1.1. Công nghệ OFDM
OFDM là một kĩ thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó một băng tần lớn
được chia thành các băng tần nhỏ hơn, và số liệu sẽ được truyền song song trên mỗi
băng tần con riêng rẽ.
Mặc dù, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong rất nhiều các tiêu chuẩn, các hệ
thống truyền dẫn vô tuyến, song trong các hệ thống truyền dẫn quang nói chung,
OFDM vẫn mới chỉ được xem như là một hướng phát triển rất khá hứa hẹn, và đang
được nghiên cứu mạnh mẽ. So với các môi trường truyền dẫn khác, truyền dẫn quang
có nhiều đặc tính ưu việt như suy hao truyền dẫn thấp, miễn nhiễm với ảnh hưởng do
nhiễu tần số vô tuyến, băng thông lớn…Do đó, hạ tầng truyền dẫn tốc độ cao phần lớn
đều được xây dựng dựa trên các hệ thống truyền dẫn quang.
1.1.1. Khái niệm và lịch sử phát triển OFDM
a. Khái niệm
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao) là phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM). OFDM phân toàn bộ
băng tần vào một số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang con
này. Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn.
Các sóng mang con này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số
nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại
tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu
giữa các sóng mang phụ.
Điều chế đa sóng mang MCM tận dụng hiệu quả băng tần để truyền dẫn tốc độ
cao trong các hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Do yêu cầu về tốc độ dữ liệu
ngày càng cao, nên độ rộng băng tần truyền dẫn tăng đáng kể. Vì vậy, kênh vô tuyến
thể hiện đặc tính đa đường trong miền thời gian hay tính cách chọn lọc trong miền tần
số, nghĩa là khi tốc độ dữ liệu truyền trên kênh vô tuyến tăng lên thì kênh vô tuyến đó
trở nên có tính chất chọn lọc tần số. Việc truyền dẫn thành công qua kênh chọn lọc tần
số là phức tạp hơn so với kênh phẳng băng hẹp, bởi lẽ nhiễu giữa các ký hiệu ISI làm
giảm hiệu năng hệ thống. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến như: kỹ thuật cân bằng
kênh,v.v... để đối phó sự phân tán kênh. Do MCM thực hiện chia toàn bộ băng tần

thành nhiều kênh con song song (đồng thời). Một khi số lượng kênh con đủ lớn, thì
đáp ứng tần số trong mỗi kênh con gần như là phẳng. Nhờ đó, việc thực hiện cân bằng
cũng như các giải pháp kỹ thuật khác cho mỗi kênh con dễ dàng hơn nhiều. Vì vậy, ưu
điểm cơ bản nhất và là bản chất của MCM cũng như OFDM là chuyển kênh pha đinh

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳng.
Một ví dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM được minh họa ở hình
1.1. Trong đó, hình 1.1a là 4 sóng mang con trong miền thời gian, hình 1.1b là 4 sóng
mang con trong miền tần số và hình 1.1c là đáp ứng tổng cộng của 4 sóng mang con.

b
)

c
)

Hình 1.1: Thí dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM
b. Lịch sử phát triển của OFDM
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 8

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Khái niệm OFDM được giới thiệu lần đầu tiên bởi Chang trong một hội thảo năm
1996.
Thuật ngữ “OFDM” trên thực tế được xuất hiện trong một sáng chế riêng của ông
vào năm 1970. Các lĩnh vực của OFDM đã có từ lâu và được phát triển, có tầm quan
trọng nhất định trong các ứng dụng quân sự. Sự ra đời của ứng dụng kĩ thuật số băng
rộng và sự hoàn thiện của chip CMOS có độ tích hợp cao năm 1990 đã mang OFDM
vào tâm điểm chú ý.
Năm 1995, OFDM được chọn như là một chuẩn DAB của châu Âu, đảm bảo ý
nghĩa của nó như một công nghệ điều chế quan trọng và báo hiệu một kỉ nguyên mới
của sự thành công trong một loạt các ứng dụng. Một trong số những tiêu chuẩn quan
trọng sử dụng kết hợp công nghệ OFDM là DVB, mạng cục bộ không dây (Wi-Fi;
IEEE 802.11a/g), mạng đô thị không dây (WiMAX 802.162), đường dây thuê bao bất
đối xứng (ADSL; ITU G.992.1), và công nghệ mạng không dây thế hệ tiếp theo (LTE)
thế hệ thứ tư.
Ứng dụng của OFDM trong truyền thông quang xảy ra muộn hơn và tương đối ít
so với bản sao RF. Cùng là một từ viết tắt OFDM có từ lâu được sử dụng để đại diện
cho “ghép kênh phân chia tần số trực giao quang học” trong truyền thông quang
chung. Bài báo đầu tiên về OFDM quang trong các tài liệu mở được báo cáo bởi Pan
và Green năm 1996, và cũng liện tục có một số nghiên cứu về OFDM trong những
năm tiếp theo. Tuy nhiên, lợi thế cơ bản của OFDM, cụ thể là độ chắc chắn của nó đối
với sự phân tán của kênh quang học không được công nhận trong truyền thông quang
cho đến năm 2001. Khi Dixon et al đề xuất sử dụng OFDM để chống lại phương thức
phân tán trong sợi quang (MMF). Với thực tế là các kênh sợi MMF tương tự như kênh
không dây trong điều kiện pha đinh đa đường, không ngạc nhiên rằng các tiêu chuẩn

làm việc ban đầu trên OFDM quang tập trung vào ứng dụng sợi MMF. Sự quan tâm về
OFDM ngày một được tăng lên phần lớn là do đề xuất độc lập của OFDM quang cho
các ứng dụng đường dài từ ba nhóm, bao gồm phát hiện trực tiếp OFDM quang
(DDO-OFDM) và coherent OFDM (CO-OFDM). Cho đến nay, truyền dẫn CO-OFDM
theo chuẩn sợi đơn mode (SSMF) là 100 Gb/s qua 1000km với hiệu suất phổ tần 2
bít/s/Hz đã được chứng minh trong các nhóm khác nhau. Một trong những thế mạnh
của OFDM quang là nó có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau.
1.1.2. Nguyên lí OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi
phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một
số sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được
thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý.
Khoảng thời gian kí tự tăng lên cho các sóng mang con song song, vì các sóng
mang con này truyền kí tự với tốc độ thấp hơn, nên giảm được tác động do dãn xung
gây ra. Nhiễu xuyên kí tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

khoảng thời bảo vệ trong mỗi kí tự OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, kí tự OFDM
được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng
mang ISI.
1.1.3. Tính trực giao trong OFDM
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một
tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền

chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho
các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được
hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưng
tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế
cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là
trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện.

* (t)dt = K
S
(t).S

∫ i j
0

TS

i= j
(1.1)

i≠ j

với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). T s là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N
sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:
k

t)
sin(2π
TS
f k (t) = 
0



0  t  TS

(1.2)

t ∉ (0, TS )

với k = 0, 1, …, N-1
FS =

Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng
từng đôi một do thỏa điều kiện (1.1).

Ta xét hai sóng mang
TS

 k1
∫0 Sin  2 π TS

  k
t .Sin  2 π 2
  TS

 k 
Sin  2π 1 t 
 TS 
T

và

1
TS

và trực giao

 k 
Sin  2π 2 t 
 TS 


1 S
t
t
t dt = ∫ cos2 π( k 1 − k 2 ) − cos2 π( k 1 + k 2 ) dt = 0
2 0
TS
TS 


(1.3)

Như vậy, các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là
độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx
do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng
mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số
trung tâm một khoảng bằng bội số của F S. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là
vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.2). Và do đó các sóng mang không gây
nhiễu cho nhau.
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.2: Phổ của các sóng mang trực giao
1.1.4. Xây dựng biểu thức toán học của một tín hiệu OFDM
OFDM là một loại đặc biệt của MCM, việc thực hiện chung của nó được mô tả
trong hình 1.3. Cấu trúc của một bộ nhân phức tạp (điều chế IQ/ giải điều chế IQ), nó
thường được sử dụng trong hệ thống MCM, cũng được thể hiện trong hình. Tín hiệu
truyền MCM s(t) được biểu diễn:

s (t ) =

+∞ N sc

∑ ∑ c s (t − iT )

i =−∞ k =1

ki k

s

sk (t ) = Π (t )e j 2π fk t
 1,(0 < t ≤ Ts )
Π (t ) = 

0,(t ≤ 0, t > Ts )

(1.4)
(1.5)

(1.6)

Trong đó cki là kí tự mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, sk là dạng sóng
cho k sóng mang con, Nsc là số sóng mang con, fk là tần số sóng mang con, Ts là thời
gian một kí tự OFDM , và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi
sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợp
với sóng mang con như trong hình 1.3.
Do đó, việc xác định kí tự mạng thông tin c’ik tại đầu ra được tính theo công thức
sau:
T

T

1 s
1 s
cki′ = ∫ r ( t − iTs ) sk*dt = ∫ r ( t − iTs ) e − j 2π f k t dt
Ts 0
Ts 0

(1.7)

Trong đó r(t) là thời gian tín hiệu trong miền thu. MCM cổ điển sử dụng những tín
hiệu có dải tần hạn chế không chồng chéo và có thể được lắp đặt với một số lượng lớn
khối dao động và bộ lọc cả đầu phát và đầu thu. Bất lợi lớn của MCM là nó yêu cầu
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

băng thông lớn. Đó là bởi vì để thiết kế các bộ lọc và bộ dao động một cách hiệu quả,
khoảng cách kênh phải bằng một bội số của tốc độ kí tự để giảm hiệu quả phổ một
cách tốt nhất. Một phương pháp mới đã được nghiên cứu bằng việc sử dụng những bộ
tín hiệu trực giao chồng lấn nhau. Tính trực giao này bắt nguồn từ một mối tương quan
đơn giản giữa bất kì hai sóng mang con nào.

Hình 1.3: Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang
T

T

1 s *
1 s
δ kl = ∫ sk sl dt = ∫ exp ( j 2π ( f k − f l )t ) dt = exp ( jπ ( f k − f l )Ts )
Ts 0
Ts 0

(1.8)

Có thế thấy rằng nếu điều kiện:
fk − fl = m

1
Ts

(1.9)

được thỏa mãn thì hai sóng mang con sẽ trực giao với nhau. Điều này có nghĩa rằng
những bộ sóng mang con này trực giao với nhau, với khoảng cách tần số là bội của
thời gian kí tự, có thể sử dụng các bộ lọc thích hợp để loại bỏ nhiễu giữa các sóng
mang (ICI), mặc dù sự chồng lấn phổ của tín hiệu rất lớn.
1.1.5. Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc đối với OFDM
Một thách thức chính đối với OFDM đó là cần một số lượng lớn các sóng mang
con vì vậy kênh truyền dẫn xem mỗi sóng mang con như một kênh riêng. Điều này dẫn
đến một cấu trúc vô cùng phức tạp với nhiều bộ dao động và bộ lọc ở cả phía phát và
phía thu. Weinsten và Ebert đầu tiên khám phá ra điều chế và giải điều chế OFDM có
thể được thực hiện bằng việc biến đổi Fourier đảo (IDFT) và biến đổi Fourier thuận
(DFT). Điều này là hiển nhiên qua việc nghiên cứu điều chế OFDM công thức (1.4) và
giải điều chế OFDM công thức (1.5). Tạm bỏ qua chỉ số i và coi Nsc là N trong công
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

thức (1.4) để tập trung chủ yếu vào một kí tự OFDM và chúng ta lây mẫu s(t) tại các
khoảng thời gian Ts/N. Như vậy công thức (1.4) trở thành:
N

sm = ∑ ck .e

j 2π f k .

( m −1) Ts
N

(1.10)

k =1

Sử dụng điều kiện trực giao của công thức (1.9) và quy ước rằng:

fk =

k −1
Ts

(1.11)

Và thay (1.11) vào (1.10) chúng ta được:
N

sm = ∑ ck .e

j 2π f k .

( m −1)Ts
N

k =1

Khi

ℑ

N

= ∑ ck .e
k =1

là biến đổi Fourier, và

m ∈ ( 1, N )

ck′ = ℑ{ rm }

j 2π

(k −1)( m −1)
N

= ℑ−1 { ck }

(1.12)

, tương tự, tại phía thu chúng ta có:
(1.13)

Khi rm là tín hiệu được lấy mẫu tại tất cả các khoảng thời gian Ts/N. Từ công thức

(1.12) và công thức (1.13), các giá trị rời rạc của tín hiệu truyền OFDM s(t) chỉ đơn
thuần là N điểm IDFT của kí tự mang thông tin ck, và kí tự mang thông tin nhận được
c’k là N điểm DFT của tín hiệu lấy mẫu thu được. Thực hiện DFT/IDFT cho chuyển đổi
từ số sang tương tự và từ tương tự sang số. Có hai thuận lợi chủ yếu của việc thực hiện
DFT/IDFT trong OFDM. Thứ nhất là để giảm thời gian tính DFT/IDFT thì người ta
giảm số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán IFFT/FFT, số phép nhân
phức tạp đối với IFFT trong (1.12) và FFT trong (1.13) giảm từ N2 còn {Nlog2(N)}/2
gần như tuyến tính với số sóng mang con N. Thứ hai, rất nhiều sóng mang con trực
giao có thể được tạo ra và được giải điều chế mà không cần nhiều bộ dao động RF và
bộ lọc phức tạp. Điều này dẫn đến một kiến trúc tương đối đơn giản cho thực hiện
OFDM khi mà rất nhiều sóng mang con được yêu cầu. Tương ứng kiến trúc sử dụng
DFT/IDFT và DAC/ADC được chỉ ra trong hình 1.4.
Tại phía phát, bít dữ liệu đầu vào nối tiếp đầu tiên được chuyển đổi thành nhiều
luồng dữ liệu song song, ánh xạ lên mỗi kí tự thông tin tương ứng cho mỗi sóng mang
con với một kí tự OFDM và tín hiệu số trong miền thời gian thu được bằng việc biến
đổi IDFT, sau đó được đưa vào mới một khoảng bảo vệ và chuyển đổi thành dạng
sóng thời gian thực thông qua DAC. Khoảng bảo vệ được đưa vào để ngăn cản nhiễu
giao thoa kí tự (ISI) do kênh phân tán. Tín hiệu băng gốc có thể được chuyển đổi nâng
tần thành RF thích hợp với một bộ điều chế. Tại phía thu, tín hiệu OFDM được chuyển
đổi hạ tần thành tín hiệu băng gốc với bộ giải điều chế, lấy mẫu với ADC, và sau đó
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

giải điều chế bởi thực hiện DFT và tín hiệu băng gốc được xử lí để phục hồi dữ liệu.

Hình 1.4: Sơ đồ (a) OFDM phía phát (b) OFDM phía thu
Chú ý rằng từ công thức (1.10), tín hiệu OFDM sm là một hàm tuần hoàn với chu
kì N/Ts. Cụ thể là trong (1.10) và (1.11), tần số sóng mang con fk và chỉ số k có thể
được tổng quát là:

fk =

k −1
, k ∈ [ kmin + 1, kmin + N ]
Ts

(1.14)

Khi kmin là một số nguyên tùy ý. Tuy nhiên, chỉ có hai chỉ số sóng mang con được
sử dụng rông rãi: k

∈

[1,N] và k

∈

[-N/ +1,N/2].

1.1.6. Tiền tố lặp đối với OFDM
Một trong những kĩ thuật cho phép đối với OFDM là chèn các tiền tố lặp. Chúng
ta hãy xem xét hai kí tự OFDM liên tiếp trải qua một kênh phân tán với một độ trễ td.
Để đơn giản, mỗi kí tự OFDM chỉ bao gồm hai sóng mang con với trễ nhanh và trễ
chậm là td, đặc trưng bởi “sóng mang con nhanh” và “sóng mang con chậm” tương

ứng. Hình 1.5a chỉ ra rằng bên trong mỗi kí tự OFDM, hai sóng mang con- sóng mang
con nhanh và sóng mang con chậm được liên kết khi truyền. Hình 1.5b chỉ ra rằng các
tín hiệu OFDM ở trên cùng đến phía thu, khi mà sóng mang con chậm trế td so với
sóng mang con nhanh. Chúng ta lựa chọn một cửa sổ DFT có chứa một kí tự OFDM
hoàn chỉnh cho sóng mang con nhanh. Rõ ràng đó là do phân tán kênh, sóng mang con
chậm đã vượt qua ranh giới kí tự dẫn đến nhiễu giữa các kí tự OFDM lân cận, nó được
gọi là nhiễu liên kí tự (ISI). Hơn nữa, vì dạng sóng OFDM trong cửa sổ DFT đối với
sóng mang chậm chưa được hoàn chỉnh, điều kiện trực giao quan trọng đối với mỗi
sóng mang con phương trình (1.8) bị mất, kết quả là xảy ra nhiễu kênh lân cận (ICI).

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.5: Tín hiệu OFDM (a) Không có CP ở phía phát (b) Không có CP ở phía thu
(c) Có CP ở phía phát d) Có CP ở phía thu
Tiền tố lặp được đề xuất để giải quyết các vấn đề nhiễu ISI và ICI. Hình 1.5c chỉ
ra việc chèn vào một tiền tố lặp bằng việc mở rộng tuần hoàn vào dạng sóng OFDM
khoảng bỏa vệ ∆G. Như trong hình 1.5c, dạng sóng trong khoảng bảo vệ về cơ bản là
một bản sao của chính nó trong cửa sổ DFT, với một khoảng thời gian dịch chuyển là
ts. Hình 1.5d chỉ ra tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ nhận được.
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 15

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Nếu giả định các tín hiệu được đi qua các kênh phân tán giống nhau và cùng cửa
sổ DFT được chọn bao gồm một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang con
nhanh. Có thể thấy được từ hình 1.5d một kí tự OFDM hoàn chỉnh đối với sóng mang
con chậm cũng được duy trì trong cửa sổ DFT bởi vì một tỷ lệ của tiền tố lặp đã được
chuyển vào trong cửa sổ DFT để thay thế một phần giống hệt đã được chuyển ra. Như
vậy, kí tự OFDM đối với sóng mang con chậm là một bản sao giống hệt dạng sóng
truyền được thêm vào trong quá trình chuyển đổi giai đoạn. Chuyển đổi giai đoạn này
được xử lí trong quá trình ước lượng kênh và sẽ được quyết định loại bỏ đối với kí tự.
Bây giờ chúng ta đi đến điều kiện quan trong đối với truyền OFDM tự do với nhiễu
ISI.

td < ∆G

(1.15)

Để khôi phục lại đúng kí tự OFDM mang thông tin, có hai vấn đề cần phải được
thực hiện: (1) là lựa chọn một cửa sổ DFT phù hợp, gọi là đồng bộ cửa sổ DFT và (2)
là ước lượng khoảng dịch chuyển đối với mỗi sóng mang con, gọi là ước lượng kênh
hay đồng bộ sóng mang con. Cả hai vấn đề xử lí tín hiệu này được theo đuổi nghiên
cứu một cách tích cực, và chúng được đưa ra thảo luận trên cả sách và tạp trí.

Hình 1.6: Tín hiệu OFDM trong miền thời gian đối với
Một cách mô tả tiền tố lặp là một biểu thức giống như trong biểu thức (1.4) đối
với truyền tín hiệu s(t) nhưng được mở rộng dạng hàm xung (1.6) để chèn khoảng bảo
vệ:

 1,(−∆G < t ≤ ts )
Π (t ) = 
0,(t ≤ −∆G , t > ts )

(1.16)

Miền thời gian kí tự OFDM tương ứng được minh họa trong hình 1.5, nó chỉ ra
rằng một kí tự OFDM hoàn chỉnh bao gồm độ dài kí tự OFDM có ích và tiền tố lặp.
Các dạng sóng trong thời gian quan sát sẽ được sử dụng để khôi phục kí tự thông tin
trong miền tần số.
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

1.1.7. Dung lượng hệ thống OFDM
Xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang cong giống
nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa,
băng thông, công suất…).
Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độ
bít tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.
Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsc là số sóng mang con, Ts là độ dài kí
tự, B là độ rộng băng thông, ts là độ dài kí tự có ích (thời gian FFT), khoảng cách giữa
các sóng mang con là ∆f=1/ts và α=ts/Ts, tốc độ bít tổng được tính như sau:

Rtb =

(R

c

log 2 ( M ) ) N sc
Ts

= ( Rc log 2 ( M ) ) B


B 
 Rc log 2 ( M ) ∆f ÷

=
Ts

(1.20)

ts
= ( Rc log 2 ( M ) ) Bα
Ts

Từ công thức (1.20) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các
sóng mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bít: (1) tỷ lệ mã, (2) mức
điều chế, (3) độ rộng băng thông và (4) là α.
1.1.8. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ OFDM
a. Ưu điểm
 OFDM là giải pháp phân tập tần số vì OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến

hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này.
 OFDM đạt hiệu quả sử dụng phổ tần cao, do sự chồng phổ tần giữa các băng
con nhưng vẫn phân tách các kênh con nhờ tính trực giao của các thành phần
sóng mang con.
 OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di
động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho dẫn đến
khả năng đối phó trải trễ kênh vô tuyến (khắc phục ISI) và hiệu quả sử dụng phổ
tần cao của công nghệ OFDM.
 OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển kênh pha
đinh chọn lọc tần số thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là giải pháp đối
với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Ưu điểm cho phép cân bằng kênh dễ
dàng.
 Do tính phân tập tần số, dẫn đến làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm (do pha đinh
Rayleigh gây ra). Ưu điểm này rất có lợi khi kết hợp với mã hóa kênh (mã xoắn
và mã Turbo).
 Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và
công nghệ vi mạch VLSI.
Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được.
Nó cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

thành các kênh truyền con fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực
giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ,

do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên
nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ
thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải
trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên kí tự ISI sẽ được
loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử
dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT
giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ
thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu ược điều chế và
giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT.
b. Nhược điểm
OFDM nhạy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội
phát và thu. Tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền có
dịch Doppler lớn. Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt
đầu của ký hiệu FFT.
Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín
hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ
xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn. Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc bảo
đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC. Một
nhược điểm khác của kỹ thuật này là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần
Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu
đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các kí tự. Đồng thời hệ
thống OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác.
1.2. Công nghệ OFDM quang
1.2.1. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM quang

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 18

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Hình 1.7: Kiến trúc hệ thống OFDM chuyển đổi up/down trực tiếp
Hình 1.7 là mô hình của một hệ thống OFDM, bao gồm năm khối chức năng cơ
bản: Khối phát RF OFDM, chuyển đổi từ RF sang quang (RTO), đường truyền quang,
chuyển đổi quang sang RF (OTR) và khối thu RF OFDM.
Trong phần này, RF được sử dụng để thay thế cho nhau trong miền điện để biểu
thị cho giao diện vật lí điều đó trái ngược trong miền quang. Độ tuyến tính kênh truyền
dẫn là cơ sở giả định trong OFDM. Do đó, nghiên cứu tính phi tuyến trong mỗi khối
chức năng có tầm quan trọng lớn. Khối phát và thu RF OFDM đã được nghiên cứu
trong hệ thống RF và như vậy nó vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống OFDM.
1.2.2. Các khối chức năng của hệ thống truyền dẫn OFDM quang
a. Khối phát RF OFDM
Dữ liệu đầu vào nối tiếp được đưa vào bộ S/P (chuyển đổi nối tiếp sang song
song), tại đây dữ liệu sẽ được chuyển thành Nsc “kí tự thông tin” song song. Những kí
tự này sẽ được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền. Tín hiệu
trong miền thời gian thu được sau khi qua bộ mapper sẽ được đưa đến bộ điều chế
OFDM (IDFT). Khối IDFT này có nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu OFDM trong miền
thời gian, giả sử tín hiệu thu được sau khi biến đổi IDFT là cki và sau đó được chèn
một khoảng bảo vệ để tránh phân tán kênh, chống nhiễu ISI (nhiễu liên kí tự) và nhiễu
ICI (nhiễu lênh lân cận). Khoảng bảo vệ sẽ được thêm vào dạng sóng của tín hiệu
OFDM. Tín hiệu băng gốc trong miền thời gian có thể được biểu diễn:
+∞

s(t ) = ∑

k = N sc /2

∑

i =−∞ k =− N sc /2 +1

cki Π (t − iTs )e j 2π f k (t −iTs )

fk =

k −1
ts

 1,(−∆ G < t ≤ t s )
Π (t ) = 
0,(t ≤ −∆G , t > ts )

(1.21)
(1.22)

(1.23)

Trong đó cki là kí tự mang thông tin thứ i tại sóng mang con thứ k, fk là tần số sóng
mang con thứ k, Nsc là số sóng mang con, Ts là thời gian một kí tự OFDM, ts là thời
gian kí tự OFDM hiệu dụng, ∆G là khoảng bảo vệ và ∏(t) là hàm xung đơn vị. Phần mở
rộng dạng sóng trong khoảng thời gian (-∆ G, 0) trong phương trình (1.23) đại diện cho
chèn tiền tố lặp hay khoảng bảo vệ (đã trình bày trong mục 1.1.6). Tín hiệu sau đó sẽ
được chuyển đổi từ số sang tương tự qua bộ DAC và được lọc bởi mộ bộ lọc thông
thấp loại bỏ các tín hiệu không mong muốn trước khi được đưa vào bộ chuyển đồi
RTO.
b. Khối chuyển RF sang quang và ngược lại

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Tín hiệu OFDM băng gốc có thể được chuyển đổi thành RF thông qua bộ trộn tần
IQ (không được chỉ ra trong hình), Hình 1.7 là một kiến trúc nâng tần trực tiếp, ở đó
máy phát OFDM RF tạo ra tín hiệu OFDM băng gốc. Ở phía phát, bộ RTO sẽ chuyển
tín hiệu băng gốc này sang miền quang sử dụng một bộ điều chế quang. Tín hiệu
OFDM băng gốc được chuyển đổi trực tiếp tới miền quang sau đó đưa lên đường
truyền quang.
Đường truyền quang sử dụng sợi đơn mode hoặc sợi đa mode để truyền và trên
đường truyền sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu.
Ở phía thu, tín hiệu OFDM quang được chuyển đổi thành một tín hiệu OFDM
RF, ngược lại so với phía phát.
c. Khối thu RF OFDM
Ở phía thu, tín hiệu OFDM hạ tần được lấy mẫu với một bộ ADC, sau đó tín hiệu
này cần đưa qua ba mức đồng bộ phức tạp trước khi quyết định kí tự dữ liệu, ba mức
đồng bộ:
1. Đồng bộ cửa sổ DFT trong đó các kí tự OFDM được mô tả đúng để tránh
nhiễu liên kí tự. Đồng bộ kí tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một
kí tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ kí tự
đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn.
2. Đồng bộ tần số, cụ thể là dịch tần được ước lượng, được bù trừ và hơn thế nữa
là được hiệu chỉnh tới một giá trị nhỏ nhất khi bắt đầu. Người ta đưa ra hai
phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử

dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled OscillatorVCO). Phương pháp thứ hai được gọi là: Lấy mẫu không đồng bộ. Trong
phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được
xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.
3. Khôi phục sóng mang con, mỗi kênh sóng mang con được ước lượng và bù
trừ. Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định
hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên
thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước
lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường
(PSAM-Pilot signal assisted Modulation).
1.3. Sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF
Có một sự sai lầm là do OFDM RF đã được nghiên cứu từ khá lâu, khoảng 20
năm, và hệ thống OFDM quang sẽ là một nỗ lực giúp chuyển đổi từ miền vô tuyến
không dây sang miền quang. Việc sử dụng các hệ thống truyền thông quan SMF và
các hệ thống không dây là các ví dụ, chúng tôi đưa ra các khác biệt sau có các ý nghĩa
hệ quả đối với thiết kế OFDM như sau:
• Mô hình kênh: Bảng 1.1 tóm tắt các điểm khác biệt chính giữa các kênh truyền
thông vô tuyến và quang. Một kênh vô tuyến điển hình có thể được mô hình

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

hóa như là sự tổng hợp của nhiều tuyến đường mà mỗi tuyến đường phải trải
qua một quá trình Reyleigh.
• Tính phi tuyến kênh: kênh vô tuyến trong không gian tự do và do đó không có

bất kỳ tính phi tuyến nào. Ngược lại, đường truyền sợi quang mang đặc tính phi
tuyến. Kết hợp cùng với tán sắc sợi quang, PMD và các hiệu ứng PDL, kênh
quang thường phức tạp hơn so với kênh vô tuyến. Thường thường, không có bất
kỳ giải pháp phân tích đóng nào đối với việc truyền dẫn phi tuyến trong sợi
quang, trong đó các giải pháp tính toán số học đối với phương trình phi tuyến
Schrodinger mô tả việc truyền sóng phi tuyến trong sợi quang được yêu cầu để
phân tích hiệu năng. Ngay từ cái nhìn đầu tiên, OFDM bị cản trở bởi giá trị
PAPR cao sẽ không phù hợp với kênh sợi quang có tính phi tuyến cao. May
mắn là sự tán sắc màu trong sợi quang như là một yếu tố thuận lợi giúp làm
giảm tính phi tuyến và các thí nghiệm thực nghiệm đã cho thấy việc truyền dẫn
thành công tốc độ 100Gb/s CO-OFDM trên tuyến đường dài 1000km sử dụng
sợi quang SSMF.
Bảng 1. 1: So sánh giữa các kênh quang và kênh không dây
Mô hình toán học
Tính phi tuyến
Tốc độ
OFDM
-Đa miền thời gian -Không
-Cực nhanh trong
không dây
môi trường di động
-Rayleigh rời rạc
-Fadinh
OFDM
-Miền tần số liên -Đáng kể
-Trung bình
quang
tục
-Tán sắc miền
• Biến đổi thời gian của các đặc tính kênh: cũng quan trọng như tán sắc tần số

(hoặc việc chọn tần) của kênh, việc chọn lọc thời gian hoặc tán sắc là một yếu
tố xác định khác. Tán sắc thời gian được định nghĩa như tỷ số ở đó các đặc tính
kênh thay đổi. Trong các hệ thống không dây, tán sắc thời gian được đặc trưng
như tần số Doppler từ các người dùng di động di chuyển với tốc độ cao, trong
khi trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang, nó được đặc trưng như việc quay
phân cực từ sự xáo trộn cơ học của liên kết sợi quang. Việc mở rộng của sự lựa
chọn thời gian được đặc trưng bởi sản phẩm của tần số Doppler trong các hệ
thống không dây (hoặc tỷ lệ quay phân cực trong các hệ thống sợi quang) và
chiều dài ký hiệu OFDM, tương đương 0,04 đối với hệ thống truyền thông di
động phổ biến (Universal Mobile Telecommunications System) hoặc môi
trường mạng LAN không dây hoặc 5 x 10-5 đối với các hệ thống sợi quang (sử
dụng chiều dài ký hiệu 50ns và tốc độ quay phân cực 1 kHz). Sau đó, kênh
quang có thể được xem xét bán tĩnh điện. Việc ước tính kênh hiệu quả có thể
được sử dụng bằng việc tận dụng ưu điểm của đặc tính quan trọng này.
• Khuếch đại phi tuyến: đây là một yếu tố quan trọng có thể không thường được
công nhận. Trong các hệ thống không dây, tính phi tuyến chủ yếu diễn ra trong
việc khuếch đại quang, do đó ta có thể có một bộ khuếch đại không suất RF độ
bão hòa cao hoặc hoạt động tại công suất back-off vừa đủ. Tuy nhiên trong các
hệ thống sợi quang, bộ khuếch đại chiếm ưu thế là EDFA với tính tuyến tính
tuyệt vời. Điều này là do đáp ứng thời gian của EDFA tính theo ms, do đó bất
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

kỳ tính phi tuyến nào nhanh hơn ms thực tế sẽ bị biến mất. Điều này rất có ý

nghĩa theo nghĩa trong việc thiết kế các hệ thống CO-OFDM, khi gặp phải việc
đánh đổi giữa tổn thất quang với tổn thất RF, ta sẽ chọn cái đầu tiên vì nó có
tính tuyến tính cao hơn. Ví dụ, trong việc thiết kế bộ phát CO-OFDM, ta sẽ
chọn việc tối thiểu hóa các ổ điện áp thành các modulator IQ quang và khuếch
đại quang tín hiệu để bù đắp tổn thất vượt quá của Modul IQ quang.
• Khả năng chịu lỗi khi truyền dẫn out-of-band: Trong các hệ thống không dây,
do sự thiếu hụt của phổ tần số, kênh RFF được đóng gói nhỏ nhất có thể. Do đó,
có một yêu cầu truyền dẫn out-of-band giới hạn được đặt lên các bộ phát
OFDM.
Hình 1.8 chỉ ra mặt nạ truyền dẫn đối với một tín hiệu Wi-fi chỉ ra chi tiết mật độ
tương đối tối đa ở đó việc truyền dẫn bị giới hạn. Ví dụ, đối với tín hiệu Wi-Fi với
khoảng cách kênh 20 MHz, mật độ truyền dẫn tối đa tương ứng tại 11,20 và 30Mhz
tương ứng là -20, -28, -30 dB với mật độ trong băng. Nó sẽ là một nhiệm vụ dễ dàng
nếu một bộ lọc RF có thể được sử dụng để loại bỏ bất kỳ sự phát xạ nào tại bộ phát
trong một hệ thống không dây. Vấn đề là việc khuếch đại công suất là một trong
những đóng góp lớn tới việc tiêu thụ công suất chip tổng thể, và việc đưa ra một bộ lọc
RF đăng sau bộ khuếch đại công suất sẽ giảm đáng kể tổn thất và giảm ảnh hưởng của
công suất chip. Do đó, nó thường được tránh dùng trong các hệ thống không dây. Điều
này đặt ra một yêu cầu nghiêm ngặt tới bộ phát OFDM theo khía cạnh điều khiển phi
tuyến. Ngược lại, trong các hệ thống quang, các thiết bị ghép kênh phân chia theo
bước sóng thường được sử dụng để kết hợp nhiều bước sóng khác nhau, và bất kỳ việc
truyền tải out-of-band nào từ bộ phát CO-OFDM được loại bỏ một cách hiệu quả. Như
vậy, bộ phát CO-OFDM có khả năng chịu lỗi tốt hơn tới việc truyền dẫn out-of-band.
Thực tế này cần được tận dụng khi giải quyết với việc giảm thiểu PAPR trong các hệ
thống CO-OFDM.

Hình 1.8: Mặt nạ phổ truyền dẫn đối với tín hiệu Wi-fi. Sau mức tham chiếu 80.
1.4. Phân loại OFDM quang
Trong kỹ thuật OFDM quang, có 2 vấn đề quan trọng quyết định: đó là quá trình
điều chế quang để tạo tín hiệu quang đưa lên đường quang và tách sóng quang tìm lại

tín hiệu điều chế.

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Công nghệ OFDM quang

Trong điều chế quang, người ta có thể sử dụng 2 giải pháp điều chế, đó là điều chế
quang trực tiếp (điều chế cường độ ánh sáng) và điều chế quang gián tiếp (điều chế
ngoài).
Điều chế trực tiếp là điều chế đươc thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu cần
truyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi dòng điện kích thích chạy qua Lazer. Độ
phát sáng của lazer phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền dẫn.
Khác với điều chế trực tiếp, việc điều chế tín hiệu không được thực hiện bên trong
lazer mà được thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài gọi là bộ điều chế ngoài
(external modulator). Ánh sáng do lazer phát ra dưới dạng sóng liên tục CW
(continuos wave). Có hai loại bộ điều chế ngòai được sử dụng hiện nay: MachZehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA).
Trong tách sóng quang, người ta cũng có 2 giải pháp tách sóng quang, đó là tách
sóng trực tiếp và tách sóng coherent.
Phương pháp tách sóng trực tiếp là phương pháp tìn lại tín hiệu quang đã điều chế
cường độ bằng cách đếm số lượng hạt photon đến bộ thu nhờ các thiết bị PIN, APD
hay còn gọi là các bộ thu quang. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực cả sóng
mang được tạo ra từ các linh kiện quang. Phương pháp này có nhược điểm là nhiễu
tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao.
Khác với hệ thống tách sóng trực tiếp chỉ sử dụng các bộ tách quang là PIN hoặc
APD thì trong hệ thống sử dụng tách sóng coherent còn có thêm một phần tử tạo dao

động nội bởi một lazer diode ở phía thu để trộn với tín hiệu ánh sáng tới.
Từ sự phân tích ở trên, ta có thể thấy sự khác nhau của các hệ thống OFDM quang
chính là việc sử dụng các bộ tách sóng quang khác nhau. Như vậy có 2 loại hệ thống
OFDM quang. Đó đó là:
• Hệ thống OFDM quang sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DDO-OFDM),
• Hệ thống OFDM quang sử dụng kỹ thuật tách sóng Coherent (CO-OFDM).
1.5. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày nguyên lý chung của công nghệ OFDM và trên cơ sở đó
trình bày nguyên lý của công nghệ OFDM quang. OFDM là một hệ thống đa sóng
mang trong đó luồng số liệu cần truyền được chia nhỏ và được truyền trên các sóng
mang con trực giao với nhau.
Chương 1 cũng trình bày các phần tử cơ bản của máy phát, máy thu OFDM
quang; phân tích sự khác nhau giữa OFDM quang và OFDM RF, và phân loại các hệ
thống OFDM quang.
Với những ưu việt của mình OFDM quang sẽ là giải pháp hiệu quả để áp dụng
cho các mạng viễn thông trong tương lai. Trong chương 2 sẽ trình bày về hệ thống
truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang.

Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF
Một trong những phương pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông
rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn

và cự ly xa. Kỹ thuật Radio over Fiber là một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền
tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai. Tuy kỹ thuật
RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nhưng những kết
quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ là một kỹ thuật
cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Trong chương này sẽ trình
bày tổng quan về hệ thống RoF cũng như các kĩ thuật được sử dụng trong RoF và ứng
dụng của RoF.
2.1. Tổng quan
2.1.1. Khái niệm
Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, Radio over Fiber hay gọi tắt là RoF là
phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách
khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF
(analog) đến các trạm thu phát.
Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang
để phân phối các tín hiệu tấn số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm đến các khối
anten đầu xa (RAUs), hình 2.1.

Hình 2.1: Nguyên lý hệ thống Radio over Fiber
2.1.2. Các thành phần cơ bản của tuyến truyền dẫn RoF
Một tuyến RoF có kiến trúc như hình dưới sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến
đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một
tuyến quang (song hướng hay đơn hướng).
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 24


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF

• Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là các
thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay có
tích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp
chức năng truy nhập vào mạng không dây.
• Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các
MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ phục vụ
một microcell. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến
đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS
gồm 2 thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang
điện ở tần số RF. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ
sóng một vùng là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét
hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến
vài trăm các MH. Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do
không có thành phần).
• Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ
thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS
có thể nối đến hàng ngàn các BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các
chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở
CS vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng
giống như tổng đài trong mạng điện thoại). CS được nối đến các tổng đài,
server khác.
Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với
nhau.
Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 2.2.

Hình 2.2: CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF
2.1.3. Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần
milimet
a. Mạng truy nhập vô tuyến hiện đại

Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động
(mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định
(fixed) như WiFi. Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băng
thông và tính di động. So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn
nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ
108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể
có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm
Trịnh Hùng Cường_D10VT6

Trang 25