Nghiên cứu công nghệ OFDM quang trong ROF và ứng dụng (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
------------------------------------------

THÂN VĂN TỊNH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG ROF VÀ
ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-----------------------------------------

THÂN VĂN TỊNH
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG ROF VÀ
ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60. 52. 02. 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG VĂN VÕ

HÀ NỘI - 2016

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả

Thân Văn Tịnh


ii

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực
cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động
viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận
văn thạc sĩ.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. HOÀNG VĂN VÕ, Thầy đã trực tiếp
hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn thiện.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông, những người đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được nghiên
cứu và học tập trong môi trường tốt nhất.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình cùng tất cả bạn bè đã luôn
động viên, khích lệ tôi trong cuộc sống cũng như trong quá trình học tập, nghiên cứu luận văn
thạc sĩ này.
Hà Nội, tháng 6 năm 2016
Học viên

Thân Văn Tịnh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................................v
DANH SÁCH BẢNG .................................................................................................. vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG............................................................ 3
1.1Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM [15] ......................................................... 3
1.2 Mô hình hệ thống OFDM quang .......................................................................5
1.3 Các khối chức năng.............................................................................................. 6
1.3.1 Khối phát RF OFDM ......................................................................................6
1.3.2 Khối chuyển RF sang quang .........................................................................13
1.3.3 Kênh truyền quang và bộ khuếch đại quang .................................................16
1.3.4 Khối chuyển quang sang RF .........................................................................19
1.3.5 Khối thu RF OFDM ...................................................................................... 19
1.4 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .......................................................... 21
1.4.1 Ưu điểm của OFDM .....................................................................................21
1.4.2 Nhược điểm của OFDM. ...............................................................................21
1.5 Kết luận chương 1: ............................................................................................ 22
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN RoF ...................................................... 23
2.1. Tổng quan hệ thống truyền dẫn RoF ........................................................... 23
2.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 23
2.1.2 Kiến trúc hệ thống RoF ...............................................................................24

2.2. Các ưu, nhược điểm của công nghệ RoF ........................................................ 25
2.2.1 Các ưu điểm của công nghệ RoF ..................................................................25
2.2.2 Các hạn chế của công nghệ RoF ...................................................................29
2.3 Các kỹ thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến qua sợi quang [2] ......................... 29
2.3.1 Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật IM-DD....................................................30
2.3.2 Công nghệ RoF sử dụng kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa RHD ................31


iv

2.4. Ứng dụng của hệ thống RoF ............................................................................34
2.4.1. Mạng tế bào ..................................................................................................34
2.4.2. Thông tin vệ tinh .......................................................................................... 34
2.4.3. Hệ thống phân phối video ............................................................................35
2.4.4. Các dịch vụ di động băng rộng ....................................................................35
2.4.5. Mạng cục bộ không dây (WLAN) ............................................................... 35
2.4.6. Mạng cho các phương tiện giao thông ......................................................... 36
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 36
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG TRONG RoF VÀ ỨNG DỤNG ....38
3.1. Giới thiệu ...........................................................................................................38
3.2. Kỹ thuật ghép kênh trong RoF ........................................................................40
3.2.1. Ghép kênh sóng mang con SCM trong các hệ thống RoF ....................... 40
3.2.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng trong hệ thống RoF .......................... 42
3.3. OFDM quang trong hệ thống RoF ..................................................................44
3.3.1. Tổng quan về OFDM quang trong hệ thống RoF ........................................44
3.3.2. Mô hình OFDM kết hợp RoF.......................................................................46
3.4. Ứng dụng hệ thống OFDM trong ROF dùng cho mạng thông tin di động
4G LTE/LTE Advanced .......................................................................................... 48
3.4.1. Giới thiệu công nghệ 4G LTE/LTE Advanced ............................................48
3.4.2 Ứng dụng hệ thống OFDM trong RoF dùng cho mạng thông tin di động 4G

LTE/LTE Advanced ............................................................................................... 56
3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 70
KẾT LUẬN ..................................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 73


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APD

Amflify and forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BBOF

Baseband-over-fiber

Tín hiệu băng gốc qua sợi
quang

BS

Base Station

Trạm gốc

BPF

Band pass filter

Bộ lọc băng thông

CS

Channel state infomation

Thông tin trạng thái kênh

CO

Coherrent Detector

Tách sóng kết hợp

DD

Direct Detection

Tách sóng trực tiếp

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình quảng bá số

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexxing

Ghép kênh phân chia theo
bước sóng ghép chặt

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại sợi quang pha tạp
đất hiếm

FEC

Forward Error Correction

Sự sửa lỗi trước

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

Communications
IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

IM

Intensity Modulation

Điều chế cường độ

IM-DD

Intensity Modulation - Direct Detector

Điều chế cường độ và tách sóng
trực tiếp

ICI

Inter Carrier Interference

Can nhiễu giữa các sóng mang

ISI

Inter Symbol Interference

Can nhiễu giữa các kí tự

MZM

Mach-Zehnder Modulator

Bộ điều chế Mach-Zehnder

OFA

Optical fiber amplifier

Khuếch đại quang sợi

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao


vi

PARP

Peak to Average Power Ratio

QAM

Quadrature Amplifier Modulation

RAU

Remote Anten Unit

Khối anten đầu xa

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RHD

Remote Heterodyne Detector

Tách sóng Heterodyne đầu xa

RoF

Radio over Fiber

Điều chế biên độ cầu phương

Truyền sóng vô truyến qua sợi

quang

RVC

Road Vehicle Communication

Truyền thông giữa các phương
tiện giao thông

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SCM

Sub-Carrier Multiplexing

Ghép kênh sóng mang con

UMTS

Universal Mobile Telecommunications

Hệ thống thông tin di động toàn

System

cầu

Wavelength Division Multiplexxing

Ghép kênh phân chia theo bước

WDM

sóng
WLAN

Wireless LAN

Mạng LAN không dây


vii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 so sánh LTE với LTE – Advanced ...................................................................55


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phổ của các sóng mang trực giao ....................................................................4
Hình 1.2. Kiến trúc hệ thống OFDM quang ....................................................................5
Hình 1.3 Bộ chuyển đổi S/P và Bộ chuyển đổi P/S .......................................................7
Hình 1.4. Bộ sắp xếp kí tự ............................................................................................... 7
Hình 1.5 Bộ IFFT và bộ FFT........................................................................................... 8
Hình 1.6. Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ .................................................................10

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ ...................................................... 11
Hình 1.8 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng ....................................................... 11
Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix .............................. 12
Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D ..........................................................................13
Hình 1.11. Sơ đồ điều chế quang trực tiếp ....................................................................13
Hình 1.12. Sơ đồ điều chế gián tiếp ..............................................................................14
Hình 1.13 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator ......................................................... 14
Hình 1.14 Cấu trúc bộ MZM phân cực đơn ..................................................................15
Hình 1.15 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi ...................................................................16
Hình 1.16 Sợi quang đa mode chỉ số chiết suất phân bậc có đường kính sợi lõi khoảng
50m (SI:Step Index) ....................................................................................................17
Hình 1.17 Sợi quang có chiết suất giảm dần (GI: Gradien-Index) ................................ 17
Hình 1.18 Sợi quang đơn mode (SM:Single Mode) .....................................................18
Hình 1.19 Bộ khuếch đại EDFA....................................................................................19
Hình 1.20. Sơ đồ khối bộ thu quang coherent .............................................................. 20
Hình 2.1: Kiến trúc hệ thống RoF .................................................................................25
Hình 2.2: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp ........................................31
Hình 2.3: Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng heterodyne ...................................................32
Hình 3.1: Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự ..................41
Hình 3.2: Sự kết hợp DWDM trong RoF ......................................................................42
Hình 3.3: DWDM trong RoF......................................................................................... 43
Hình 3.4: Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM. ..................................................43
Hình 3.5: Mô hình OFDM kết hợp với RoF..................................................................46
Hình 3.6. Kiến trúc của mạng LTE. ..............................................................................54
Hình 3.7. Các vệt phủ của cell cho các dịch vụ với các tốc độ hoạt động khác nhau ...57
Hình 3.8. Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF vào hệ thống truyền
tải mạng di động LTE/LTE-Ad tại trung tâm các thành phố. .......................................58
Hình 3.9: Khối thu phát OFDM quang TRXi ............................................................... 59
Hình 3.10: Cấu trúc trạm cơ sở BSi tại mạng truy nhập vô tuyến của LTE/LTE-Ad và
thiết bị đầu cuối người sử dụng .....................................................................................60

Hình 3.11. Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF kết hợp WDM vào
hệ thống truyền tải mạng di động LTE/LTE-Ad cho vùng ngoại ô và nông thôn. .......63
Hình 3.12. Mô hình triển khai công nghệ OFDM quang trong RoF vào hệ thống truyền
tải mạng di động LTE/LTE-Ad cho các tòa nhà cao tầng. ............................................67


ix

Hình 3.13. Ví dụ về cách bố trí BS mỗi tầng:(a) Tầng nhiều vật cản (b) Tầng ít vật
cản ..................................................................................................................................69


1

MỞ 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 đời và được xem là một kĩ thuật nên tảng cho
mạng truy nhập không dây băng thông rộng. 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 trong RoF và ứng dụng.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Công nghệ OFDM quang: Chương này sẽ đi tìm hiểu về kỹ thuật
OFDM, các thành phần trong hệ thống vô tuyến ứng dụng kỹ thuật OFDM. Nêu lên
được ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM và tìm hiểu mô hình hệ thống


2

OFDM quang với từng khối chức năng trong mô hình đó. Đồng thời tìm hiểu các
phương pháp điều chế và tách sóng OFDM quang
Chương 2: Hệ thống truyền dẫn RoF: Chương này sẽ trình bày về mô hình
hệ thống RoF, các kĩ thuật nhằm phân phối tín hiệu RF qua các liên kết sợi quang, các
ưu điểm, nhược điểm của RoF và cuối cùng là đưa ra các ứng dụng của RoF.
Chương 3: Công nghệ OFDM quang trong RoF và ứng dụng: Chương này
sẽ tìm hiểu về các kĩ thuật ghép kênh trong RoF, mô hình hệ thống OFDM trong RoF
và đưa ra ứng dụng hệ thống OFDM trong RoF dùng cho mạng thông tin di động 4G
LTE/LTE Ad: Tại các trung tâm thành phố, tại các vùng ngoại ô, nông thôn và tại các
tòa nhà cao tầng của Việt Nam.
Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu nhưng luận văn không
thể tránh khỏi được những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự thông cảm và
góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

.


3

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ OFDM QUANG
1.1Tính trực giao trong kỹ thuật OFDM [15]
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao) là phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM). Đây là một kỹ
thuật điều chế đa sóng mang tiên tiến, trong đó nguyên lý cơ bản của nó 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 có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.
Điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Khi đó phổ
của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng khác trong hệ
thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Sau đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu rõ hơn về tính trực giao giữa các sóng mang
trong kỹ thuật 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.
Xét một tập các sóng mang con: f n (t), n 0,1,......, N 1.t1  t  t2 . Tập sóng mang
con này sẽ trực giao khi [15] tr.25:
T
0, n  m
1
f n  t  . f m  t  dt    n  m   


T 0
1, n  m

(1.1)

Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:
f n  t   exp  j 2 f nt 

(1.2)

Trong đó: j  1, f n  f0  nf  f0  n / T (1.3), và f 0 là tần số offset ban đầu.
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các song mang con. Xét biểu thức
(1.1) ta có:


4

1 T
1 T
f m  t  f n  t  dt   exp  j 2  f m  f n  t dt

T 0
T 0
sin   f m  f n  T 
 exp  j  f m  f n  T 
  fm  fn  T

(1.4)


1

0 , f m  f n  k   , k  N

T 
1, f  f
n
 m

Từ công thức (1.4) ta thấy, nếu như 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.
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 FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của
các sóng mang còn lại (Hình 1.1). Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau.

Hình 1.1. Phổ của các sóng mang trực giao


5

1.2 Mô hình hệ thống OFDM quang
OFDM quang là một hệ thống truyền tải tín hiệu vô tuyến quang dựa trên
nguyên lý: Tín hiệu dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải sẽ được biến đổi từ nối tiếp sang
song song sau đó được đưa vào ghép kênh theo tần số trực giao. Sau đó các tín hiệu
được đưa vào điều chế quang để chuyển từ tín hiệu vô tuyến ghép kênh theo tần số
trực giao sang tín hiệu quang và được truyền tải qua sợi quang đến đầu thu. Ở phía thu
sẽ thực hiện quá trình ngược lại chuyển từ tín hiệu quang sang tín hiệu vô tuyến ghép

kênh theo tần số trực giao. Sau đó sẽ thực hiện giải điều chế ghép kênh theo tần số trực
giao và biến đổi tín hiệu song song thành tín hiệu nối tiếp để có được tín hiệu dữ liệu
ra ban đầu.

Hình 1.2. Kiến trúc hệ thống OFDM quang

Từ hình 1.2 cho thấy dữ liệu đầu vào sẽ được đưa vào bộ RF OFDM phía phát
sau đó sẽ được chuyển tới bộ RF sang quang (RTO) qua đường truyền quang. Trên
đường truyền quang tín hiệu sẽ được khuyếch đại quang, đưa tới bộ chuyển quang
sang RF (OTR) và đưa tới bộ RF OFDM phía thu. Ta sẽ thu được dữ liệu tại đầu ra.


6

1.3 Các khối chức năng
Hệ thống OFDM quang gồm các khối chức năng cơ bản sau đó là:
-

Khối phát RF OFDM

-

Khối chuyển đổi từ RF sang quang (RTO)

-

Đường truyền quang và khuyếch đại quang

-

Khối chuyển đổi quang sang RF (OTR)

-

Khối thu RF OFDM

Sau đây luận văn sẽ chình bày chức năng của các khối đó

1.3.1 Khối phát RF OFDM
Khối phát RF OFDM bao gồm bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P), bộ ánh
xạ kí tự sóng mang con, bộ điều chế IDFT, bộ chèn khoảng bảo vệ GI và bộ biến đổi
D/A.
a)Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song (S/P-P/S)
Tín hiệu tại đầu vào được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song S/P.
Bộ chuyển đổi S/P này có tác dụng 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. Trong đó k, N sẽ được
chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp để băng thông sóng mang
con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyển trong khoảng băng thông đó có thể xem là
phẳng.
Dưới đây là sơ đồ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và bộ chuyển đổi song
song-nối tiếp bên phía thu. Tại phía thu thì sẽ là quá trình ngược lại, ghép luồng dữ
liệu có tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu có tốc độ cao duy nhất.


7

Hình 1.3 Bộ chuyển đổi S/P và Bộ chuyển đổi P/S

b) Bộ sắp xếp kí tự
Mô hình bộ sắp xếp kí tự được mô tả ở hình sau:

Hình 1.4. Bộ sắp xếp kí tự

Trong đó, từng kí hiệu b bit sẽ được đưa vào bộ sắp xếp kí tự lên sóng mang
con. Mà ở đây chính là bộ ánh xạ (mapper) mục đích là nâng cao dung lượng kênh
truyền. Một kí hiệu b bit sẽ tương ứng một trong M  2b trạng thái hay một vị trí
trong giản đồ chòm sao (constellation).
Ngược lại bên phía thu, bộ demaper chuyển các vị trí trong giản đồ chòm sao
thành dữ liệu b bit tương ứng. Các phép điều chế có thể như sau:
-BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0 hoặc
180 ,tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb.

- QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dbit), 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


8

c) Bộ biến đổi IFFT/FFT

Hình 1.5 Bộ IFFT và bộ FFT

Trong kỹ thuật OFDM thì việc dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều
sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng
sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế để tạo nên nhiều sóng mang phụ. Trong

trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là
không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến
đổi DFT/IDFT được 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 được 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 [13].
Ta gọi: Chuỗi tín hiệu vào X(k), 0  k  N 1 . Khoảng cách tần số giữa các sóng
mang là f . Chu kỳ của một Symbol OFDM là Ts . Tần số trên sóng mang thứ k là
f k  f0  k f . Khi đó, tín hiệu phát di có thể biểu diễn dưới dạng [13]:
N 1

x  t    X  k e

j 2  f0  k f t

e

k 0

j 2 f0t

N 1

 X  k e

j 2 k ft

, 0t  T

k 0

Trong đó: X a  t   k 0 X  k e j 2 k ft là tín hiệu băng gốc
N 1

(1.5)
(1.6)

Nếu lấy mẫu tín hiệu băng gốc với một chu kỳ Ts /N, tức là chọn N mẫu trong
một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.6) được viết lại như sau:
 n  N 1
xa  t   xa  Ts    X  k e j 2 nk fTs / N
 N  k 0

(1.7)


9

Nếu thỏa mãn điều kiện trực giao fTs  1 tức là f 

1
thì các sóng mang sẽ
Ts

trực giao với nhau, lúc này công thức (1.7) được viết lại:
N 1

xa   X  k e j 2 nk / N N .IDFT  X  k 

(1.8)

k 0

Phương trình (1.8) chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng
có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Ở đầu thu, Symbol

 x0 , x1,......, xN 1 

chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu

OFDM x(t) trong miền thời gian. Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến
đổi

FFT

được

áp

dụng

cho

symbol

 x0 , x1,......, xN 1  để

thu

lại

symbol

 X 0 , X1 ,........., X N 1  . Lý tưởng thì X k  X k

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, trong trường hợp lý tưởng ( xa  xa ) ta có:
N 1

X   k   DFT  xa  n    xa  n e  j 2 nk / N 
n 0

1
N

N 1 N 1

 X  m e

j 2 n  m  k  / N

n 0 n 0

j 2 n  m  k 
N

N 1
1 N 1
X

m
n

e




N m0
n 0
1 N 1
  X  m N   m  k 
N m0



N 1

  X  m   m  k   X  k 
m0

1, n  0
Ở đây, hàm   m  k  là hàm delta, được định nghĩa là:  (n)  
0, n  0

(1.9)


10

d) Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI

Hình 1.6. Bộ chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ

Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền
thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI.
ISI (Inter – Symbol Interference): Nhiễu giao thoa liên kí tự, được 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) [6].
ICI (Inter – Carrier Interference): Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định
nghĩa là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchanels) của cùng một frame
FFT (trong miền tần số) [6].
Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập
tần số của các kênh phụ [1]. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử
dụng số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với
coherence bandwwith, tức là độ rộng của một symbol có ích t s sẽ lớn hơm trải trễ của
kênh truyền.
- Tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ G được mô tả ở hình 1.7. Ta có thể nhận
thấy, tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ G thì tín hiệu trễ từ symbol i-1 sẽ lấn
sang tín hiệu symbol i, gây ra nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian
nghĩa với việc gây ra nhiễu ISI

ts đồng


11

Khi ta chèn khoảng bảo vệ rỗng G vào, khi đó, độ rộng của một symbol sẽ là:

T  G  t

s
s

(1.10)

Trong đó: T là độ rộng của symbol (kí tự)
s

G là khoảng bảo vệ rỗng

ts là độ rộng hiệu dụng của một symbol

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ

Khi đó nếu ta chèn một khoảng bảo vệ rỗng G đủ lớn so với trải trễ hiệu dụng của
kênh truyền thì nhiễu ISI sẽ được loại bỏ. Tuy nhiên lúc này phổ của tín hiệu ở đầu thu
sẽ thay đổi so với phổ ban đầu làm cho mất tính trực giao của chúng như hình 1.8
dưới đây:

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ rỗng

Để khắc phục được điều này ta chèn vào tín hiệu khoảng bảo vệ G có tính chất
cyclic prefix nhằm duy trì tính trực giao.Khi đó thì chiều dài q mẫu sẽ được chèn vào

t
symbol là q s lớn hơn thì gian trễ lớn nhất của kênh truyền nên hiện tượng ISI sẽ
N
được loại bỏ hoàn toàn và thu được phổ tín hiệu giống phổ ban đầu.

12

Như vậy thì sau khi đi qua bộ chèn GI thì tín hiệu sẽ không bị nhiễu. Tín hiệu sau đó
sẽ được chuyển tới bộ chuyển đổi từ số sang tương tự D/A và được lọc qua một bộ lọc
thông thấp LPF để loại bỏ các tín hiệu không mong muốn.

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix

e)Bộ biến đổi D/A và A/D
Sơ đồ bộ chuyển đổi D/A và A/D được chỉ ra ở hình 1.10. Trong đó:
Chuỗi kí hiệu sau khi được chèn khoảng bảo vệ G sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số
sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp LPF để tạo ra tín hiệu liên lục s(t) để đưa vào
kênh truyền.
Ở phía thu là quá trình ngược lại, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được
r(t) cho ra tín hiệu số rời rạc rn * Đối với kênh truyền vô tuyến, sau khi qua bộ biến
đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) được nâng lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter
tạo thành tín hiệu sRF (t ) thích hợp với một bộ điều chế. Ở phía thu, tín hiệu rRF (t ) thu
được từ anten phát sẽ được chuyển đổi hạ tần lại thành tín hiệu tần số băng gốc r(t)
nhờ bộ Down-Converter


13

Hình 1.10 Bộ chuyển đổi D/A và A/D

1.3.2 Khối chuyển RF sang quang
Sau khi thu được tín hiệu băng gốc thì phần thực và phần ảo của tín hiệu này
được đưa vào hai bộ điều chế quang để chuyển thành tín hiệu quang. Trong kỹ thuật
OFDM quang có 2 giải pháp điều chế, đó là: điều chế quang trực tiếp và điều chế
quang gián tiếp

a) Điều chế quang trực tiếp
Dưới đây là sơ đồ mô tả cho điều chế quang trực tiếp

Hình 1.11. Sơ đồ điều chế quang trực tiếp

Ở phương pháp này điều chế được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu cần
truyền dẫn trên đường truyền làm thay đổi dòng điện kích thích chạy qua Lazer. Tức là
tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Tuy nhiên phương pháp
này chỉ phù hợp để sử dụng với những hệ thống thông tin quang có tốc độ vừa phải
(dưới 10Gb/s). Còn đối với những hệ thống ở tốc độ cao (trên 10Gb/s) thì dạng điều
chế này gây nên hiện tượng dịch tần số.


14

b) Điều chế gián tiếp ( điều chế ngoài)
Để khắc phục nhược điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì người ta dùng bộ
điều chế ngoài thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thông tin tốc độ
cao. Dưới đây là sơ đồ cho bộ điều chế gián tiếp

Hình 1.12. Sơ đồ điều chế gián tiếp

Lúc này việc điều chế tín hiệu không được thực hiện bên trong lazer mà được
thực hiện bởi một linh kiện quang bên ngoài. Có hai loại điều chế ngoài được sử dụng
hiện nay đó là: Mach-Zehnder Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator
(EA). Cụ thể hơn ta sẽ đi phân tích bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder. Dưới đây là
cấu trúc chung nhất của bộ MZM:

Hình 1.13 Cấu trúc bộ Mach-Zehnder modulator

Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như hình 1.13 . Bộ điều chế giao
thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ
ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và
hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường độ dòng phân cực hay
nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels (là hiệu ứng mà ở đó chiết suất ánh sáng
của môi trường biến đổi theo điện trường áp dụng lên môi trường đó. Khi chiết suất
ánh sáng thay đổi theo điện thế, pha của sóng truyền qua cũng bị thay đổi theo điện thế
đó). Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp
dụng và được cho bởi công thức: