THIẾT kế hệ THỐNG ROF (RADIO OVER FIBER) TRÊN nền OFDM WDM và mô PHỎNG BẰNG PHẦN mềm OPTICAL SYSTEM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ROF (RADIO
OVER FIBER) TRÊN NỀN OFDM-WDM
VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM
OPTICAL SYSTEM

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC

.......................................................................................................................VI

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................IX
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................XI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................XII
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG
NGHỆ RADIO OVER FIBER.............................................................................................1
1.1

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỔNG QUÁT................................................................1

1.1.1

Bộ phát quang.....................................................................................................1

1.1.2

Bộ thu quang.......................................................................................................7

1.1.3

Kênh truyền sợi quang........................................................................................7

1.2

CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER.................................................................................9
1.2.1.1

1.2.2

Sự kết hợp sợi quang và sợi vô tuyến...........................................................................................10

Tổng quan về kỹ thuật RoF...............................................................................11

1.2.2.1

Thiết bị di động đầu cuối MH (Mobile Host)................................................................................12

1.2.2.2

Trạm cơ sở BS (Base Station).....................................................................................................12

1.2.2.3

Trạm trung tâm CS (Central Station)............................................................................................12

1.2.3

Kỹ thuật truyền dẫn RoF...................................................................................14

1.2.4

Các ưu thế của công nghệ RoF.........................................................................15

1.2.5

Các ứng dụng trong thực tế của công nghệ RoF..............................................15

1.2.5.1

1.2.6

Mạng VCC sử dụng công nghệ RoF............................................................................................16

Các giới hạn của công nghệ RoF.....................................................................16

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH OFDM VÀ WDM........................................18
2.1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ WDM..........................................................18

2.2

NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT OFDM...........................................................19

2.3

ĐẶC TÍNH TRỰC GIAO CỦA KỸ THUẬT OFDM.........................................................20

2.4

THỰC HIỆN BIẾN ĐỔI FFT/IFFT RỜI RẠC.................................................................21

2.5

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM.........................................................................................22

2.6

BỘ CHUYỂN ĐỔI D/A VÀ A/D...................................................................................24

2


2.7

ƯU ĐIỂM VÀ KHUYẾT ĐIỂM CỦA OFDM..................................................................24

2.7.1

Ưu điểm.............................................................................................................24

2.7.2

Khuyết điểm......................................................................................................24

2.8

NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KỸ THUẬT GHÉP KÊNH WDM...............................................25

2.8.1

Ưu điểm.............................................................................................................27

2.8.2

Nhược điểm.......................................................................................................27

2.8.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM.....................................28

CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG WDM ROF.......................29
3.1..HỆ THỐNG TRUYỀN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG ROF SỬ DỤNG OFDM KẾT HỢP WDM
............................................................................................................................................29
3.2

CÁC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF TRONG THỜI GIAN GẦN ĐÂY....29

3.3

CẤU TRÚC HỆ THỐNG ROF-OFDM VÀ OFDM - WDM ROF..................................30

3.4

HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ QAM....................................32

3.5

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG...........34

3.5.1

Suy hao trên tuyến quang..................................................................................34

3.5.2

Hiện tượng tán sắc............................................................................................34

3.5.3

Nhiễu trong thông tin quang.............................................................................35

3.6

MÔ HÌNH XÂY DỰNG CHO HỆ THỐNG OFDM – WDM ROF....................................35

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG............................................37
4.1

KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG OPTISYSTEM................................................37

4.1.1

Ứng dụng Optisystem........................................................................................37

4.1.2

Các công cụ phân tích......................................................................................37

4.2

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF......................................38

4.3

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF..................................................39

4.4

HỆ THỐNG ROF-OFDM MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM.............................................39

4.4.1

Bộ phát..............................................................................................................39

4.4.1.1

Khối phát RF-OFDM................................................................................................................. 40

4.4.1.2

Khối phát quang........................................................................................................................ 42

4.4.2

Tuyến truyền dẫn quang....................................................................................42

4.4.3

Bộ thu quang.....................................................................................................44

4.4.3.1

Khối thu quang.......................................................................................................................... 44

3


4.4.3.2

Khối giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF.........................................................................44

4.5

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 16-QAM ROF-OFDM....................45

4.6

HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ 16 QAM...............................50

4.7

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 16-QAM OFDM – WDM ROF......52

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................56
5.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................56

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................56

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................58

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ......................1
HÌNH 1-2: CẤU TRÚC BỘ PHÁT QUANG.....................................................................2
HÌNH 1-3: SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ MZM ....................................4
HÌNH 1-4: PHA CỦA SÓNG MANG TÍN HIỆU QUANG NGÕ RA ...........................5
HÌNH 1-5: BỘ MZM PHÂN CỰC ĐƠN ..........................................................................5
HÌNH 1-6: BỘ MZM PHÂN CỰC ĐÔI ............................................................................6
HÌNH 1-7: CẤU TẠO CÁP SỢI QUANG .........................................................................8
HÌNH 1-8: PHÂN LOẠI SỢI QUANG..............................................................................8
HÌNH 1-9: MỘT MICROCELL CS – BS – MH TRONG KIẾN TRÚC ROF...........11
HÌNH 1-10: SƠ ĐỒ TRUYỀN TÍN HIỆU RF TRÊN TUYẾN ROF...........................14
HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH PHÁT TIN OFDM....................................................20
HÌNH 2-2: HÌNH DẠNG PHỔ CỦA TÍN HIỆU FDM VÀ OFDM.............................20
HÌNH 2-3: PHỔ CỦA CÁC SÓNG MANG TRỰC GIAO............................................21
HÌNH 2-4: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM....................................................22
HÌNH 2-5: MÔ HÌNH HỆ THỐNG WDM......................................................................25
HÌNH 2-6: HỆ THỐNG TRUYỀN TIN WDM [11]........................................................26
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ROF-OFDM........................30
HÌNH 3-2: MÔ HÌNH CHO HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF.................................31

HÌNH 3-3: TỌA ĐỘ (I, Q) TRÊN GIẢN ĐỒ CHÒM SAO (GRAY CODE)..............33
HÌNH 3-4: HIỆN TƯỢNG TÁN SẮC TRÊN KÊNH TRUYỀN QUANG..................35
HÌNH 4-1: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO HỆ THỐNG OFDM - WDM ROF..........38
HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG OFDM - WDM ROF............................39
HÌNH 4-3: SƠ ĐỒ KHỐI TRUYỀN DẪN RF-OFDM..................................................40
HÌNH 4-4: SƠ ĐỒ BỘ PHÁT QUANG............................................................................42

5


HÌNH 4-5: TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG.................................................................43
HÌNH 4-6: SƠ ĐỒ KHỐI THU QUANG.........................................................................44
HÌNH 4-7: BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF..................45
HÌNH 4-8: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO TÍN HIỆU 16-QAM ĐÃ ĐƯỢC MÃ HOÁ.......46
HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDM THỰC VÀ ẢO SAU BỘ LỌC THÔNG THẤP.........46
HÌNH 4-10: TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN TẦN SỐ.............................................47
HÌNH 4-11: TÍN HIỆU QUANG ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ Ở MIỀN THỜI GIAN VÀ MIỀN
TẤN SỐ

47

HÌNH 4-12: CÔNG SUẤT TÍN HIỆU QUANG LÚC VÀO TUYẾN VÀ TRƯỚC BỘ
THU QUANG.......................................................................................................................48
HÌNH 4-13: TÍN HIỆU RF TẠI MÁY THU....................................................................48
HÌNH 4-14: TÍN HIỆU RF SAU BỘ LỌC THÔNG DÃI..............................................49
HÌNH 4-15: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO 16 QAM SAU GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU...49
HÌNH 4- 16: MÁY PHÁT RF-OFDM..............................................................................50
HÌNH 4-17: MÔ HÌNH CỤ THỂ BÊN TRONG KHỐI OFDM CHANNEL.............51
HÌNH 4-18: TUYẾN TRUYỀN DẪN TRÊN SỢI QUANG..........................................51
HÌNH 4-19: KHỐI THU TÍN HIỆU RF-OFDM.............................................................52

HÌNH 4-20: PHỔ CỦA TÍN HIỆU RF-OFDM THÀNH PHẦN THỰC VÀ ẢO Ở
MÁY PHÁT ........................................................................................................................52
HÌNH 4-21: TÍN HIỆU OFDM SAU KHI VÀO BỘ WDM MUX 4 KÊNH Ở PHÍA
MÁY PHÁT ........................................................................................................................53
HÌNH 4-22: TÍN HIỆU OFDM SAU TUYẾN TRUYỀN QUANG VỚI 4 KÊNH Ở
PHÍA THU

........................................................................................................................53

HÌNH 4-23: GIẢN ĐỒ CHÒM SAO CỦA HỆ THỐNG OFDM – WDM ROF Ở PHÍA
GIẢI ĐIỀU CHẾ..................................................................................................................54
HÌNH 4-24: BIỂU ĐỒ BER VÀ BIỂU ĐỒ MẮT CỦA HỆ THỐNG OFDM – WDM
ROF .......................................................................................................................................54

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1-1: THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI CÁP QUANG G.652 A ...........................9
BẢNG 2-1: BẢNG PHÂN CHIA CÁC BĂNG SÓNG HOẠT ĐỘNG.........................19
BẢNG 3-1: BẢNG CHUYỂN ĐỔI TỪ MÃ BINARY SANG MÃ GRAY..................33
BẢNG 4-1: THÔNG SỐ CÀI ĐẶT CHUNG CỦA HỆ THỐNG ROF-OFDM..........40
BẢNG 4-2: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TUYẾN TRUYỀN QUANG..............43

7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
OFDM

WDM
MIMO
IFFT
FFT
ISI
ICI
FEC
IDFT
DFT
QAM
DSSS
P/S
S/P
WiFi
PAPR
IEEE
WLAN
LAN
SNR
BER
APD
BPSK
BS
CS
MH

Nghĩa tiếng Anh
Orthogonal Frequency

Nghĩa tiếng Việt

Division Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing
Wavelength Division Multiplexing

số trực giao
Ghép kênh quang theo bước

Multi Input Multi Output
Inverse FFT

sóng
Đa an ten phát, thu
Biến đổi Fourier rời rạc nghịch

Fast Fourier Transform
InterSymbol Interference
InterChannel Interference
Forward Error Correcting
Inverse Discrete Fourier Transform

đảo
Biến đổi Fourier rời rạc
Nhiễu liên ký tự
Nhiễu liên kênh
Bộ sủa lỗi chuyển tiếp
Biến đổi Fourier rời rạc nghịch

Discrete Fourier Transform
Quadrature Amplitude Modulation

Direct Sequence Spread Spectrum
Parallel to Serial

đảo
Biến đổi Fourier rời rạc
Điều chế biên độ cầu phương
Chuỗi trải phổ trực tiếp
Biến đổi song song sang nối

Serial to Parallel

tiếp
Biến đổi nối tiếp sang song

Wireless Fidelity

song
Mạng không dây sử dụng sóng

Peak to Average Power Ratio
Institute
of
Electrical
Electronic Engneers
Wireless Local Area Network
Local Area Network
Signal to Noise Ratio
Bit Error Rate
Avalanche Photodiode
Binary Phase Shift Keying

Base Station
Central station
Mobile Host

8

vô tuyến
Tỉ số công suất đỉnh trung bình
and Học viện kỹ thuật điện và điện
tử
Mạng cục bộ không dây
Mạng cục bộ
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Tỉ lệ lỗi bit
Photodiode quang thác
Điều chế dịch pha nhị phân
Trạm cơ sở
Trạm xử lý trung tâm
Các thiết bị di động


GIPOF
HDSL
IF
LASER
LED
AWGN
MAC
MZM
PDA

CATV
PON
QoS
RoF
WiMAX

Graded-Index Plastic Optical Fiber
High bitrate Digital Subscriber Line
Intermediate Frequency
Light Amplification by Stimulated

Sợi quang chiết suất biến đổi
Đường dây thuê bao tốc độ cao
Tần số trung gian
Khuếch đại ánh sáng phát xạ

Emission of Radiation
Light Emitting Diode
Additive White Gaussian Noise
Media Access Control
Mach-Zehnder Modulator
Personal Digital Assistant

kích thích
Điôt phát quang
Nhiễu Gauss trắng cộng
Điều khiển truy nhập
Điều chế Mach- Zhender
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá

Community Access Television
Passive Optical Network
Quality of Service
Radio over Fiber

nhân
Truyền hình cáp dây dẫn
Mạng quang thụ động
Chất lượng dịch vụ
Truyền tín hiệu vô tuyến trên

Worldwide

Interoperability

Microwave Access

sợi quang
for Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/56

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ

CÔNG NGHỆ RADIO OVER FIBER

1.1 Hệ thống thông tin quang tổng quát
Thông tin quang có thể hiểu đơn giản là một phương thức dùng ánh sáng để truyền
dẫn thông tin đi nơi khác. Hình 1-1 minh hoạ hệ thống thông tin quang bao gồm các
thành phần chính như bộ phát quang, bộ thu quang , kênh truyền sợi quang và các
bộ khuếch đại.

Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang [16]

Các tín hiệu vào bộ phát được mã hoá thành các tín hiệu ánh sáng chính là các tín
hiệu điện được chuyển đổi thành tín hiệu quang để truyền đi qua kênh truyền sợi
quang. Tại bộ thu, các tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu
điện thông qua các bộ tách sóng quang. Các tín hiệu sau đó sẽ được khuếch đại để
đảm bảo công suất truyền do các suy hao tuyến trong quá trính truyền tải thông tin.
1.1.1 Bộ phát quang
Bộ phát quang dùng để chuyển đổi tín hiệu điện ngõ vào thành tín hiệu quang và
sau đó chuyển đổi lên kênh truyền sợi quang. Thành phần chủ yếu của bộ phát
quang là nguồn quang, mạch điều chế là thành phần để tạo tín hiệu quang và bộ
ghép dùng để hội tụ ánh sáng sau khi đã điều chế vào kênh truyền sợi quang.

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/56

Hình 1-2: Cấu trúc bộ phát quang

 Nguồn quang
Trong hệ thống thông tin quang, ánh sáng do nguồn phát quang phát ra không phải
tại một bước sóng mà tại một khoảng bước sóng nhất định. Do đó, dẫn đến hiện
tượng tán sắc và làm cho khoảng cách lẫn dung lượng truyền dẫn của tuyến quang
bị hạn chế đáng kể. Độ rộng phổ nguồn LED phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu
chế tạo ra nguồn quang và ánh sáng có bước sóng 1,3 m do LED chế tạo bằng bán
dẫn INGaAsP mang độ rộng từ 50-60nm. Vì vậy LED thường chỉ được sử dụng
trong các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng ứng dụng sợi quang đa mode và cự ly
truyền dẫn ngắn cùng tốc độ truyền bit không quá 200Mb/s. Hơn nữa, các kênh
truyền ánh sáng tại bước sóng 1550 nm (có suy hao thấp đối với sợi quang thuỷ
tinh) bị tán sắc khá lớn, tín hiệu quang phải đơn mode và có độ rộng phổ rất hẹp. Vì
vậy, LASER phát quang được ứng dụng trong trường hợp này.
Việc tính toán công suất phóng vào sợi quang (launched power) rất quan trọng khi
thiết kế hệ thống thông tin quang. Khi công suất lớn thì khoảng cách truyền dẫn sẽ
xa hơn, tốt hơn và khoảng cách giữa các trạm lặp (repeater), hoặc thậm chí các bộ
khuếch đại (amplifier) trên đường truyền cũng đồng thời tăng lên. Mặt khác, khi
khoảng cách đường truyền xa thì tín hiệu dễ bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng phi
tuyến trên tuyến. Do đó, công suất đưa vào sợi quang sẽ được tính toán phù hợp và
nằm trong quy định chuẩn cho phép sao cho ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/56

lên tín hiệu nằm mức chấp nhận được, và số thiết bị lặp là tối thiểu nhất. Công suất
được đo bằng đơn vị là dBm với công suất tham chiếu là 1mW:
P (dBm) =

(1.1)

Công suất đầu vào, đối với nguồn quang LED tương đối thấp (< -10 dBm). Với
LASER thì mức công suất có thể đạt tới 10 dBm. Ngày này, việc ứng dụng LASER
ngày càng được ưu dùng hơn LED vì những lợi thế không thể nào thích hợp hơn
cho hệ thống truyền tải tốc độ cao tuyến xa.
 Mạch điều chế tín hiệu quang
Mục đích chính là đưa thông tin cần truyền lên sóng mang quang. Kiểu điều chế
thường dùng là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Bộ điều chế trực tiếp có ưu
điểm là cấu trúc đơn giản, thường sử dụng cho các hệ thống thông tin không đòi hỏi
tốc độ quá cao (< 10Gbps). Các hệ thống đòi hỏi công suất quang lớn (> 30mW)
như các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp thì để chế tạo mạch
điều chế trực tiế hoạt động ổn định với dòng điện kích thích lớn trở nên phức tạp và
khó khăn hơn và thử thách nhiều. Do đó, đồ án này sẽ đi sâu vào phân tích về bộ
điều chế ngoài. Có hai bộ điều chế ngoài được sử dụng hiện nay: Mach- Zhender
Modulator (MZM) và Electroabsorption Modulator (EA). Đồ án sẽ tập trung vào bộ
điều chế MZ.
Bộ điều chế Mach- Zhender MZM: là bộ điều chế được chế tạo bằng vật liệu
Lithium niobate (LiNbO3) có cấu trúc Mach- Zhender như Hình 1-3:

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/56

Hình 1-3: Sơ đồ hoạt động của bộ điều chế MZM [5]

Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài Mach- Zhender là chiết suất của lớp
lithium niobate LiNbO3 thay đổi nếu ta đặt vào một nhánh của nó một điện áp.
Nguồn sáng từ bộ điều chế được chia làm 2 nhánh khi nó đi qua ống dẫn sóng. Khi
không có hiệu điện thế phân cực, cả 2 nhánh của tia tới sẽ không bị dịch pha, tại
ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau vào tái tạo lại dạng sóng như Hình 1-4a [1].
Khi có điện áp đặt vào thì một tia tới sẽ dịch pha 90 o bởi vì chiết suất của ống dẫn
sóng đó bị giảm đồng thời làm tăng vận tốc ánh sáng, giảm độ trễ. Nhánh còn lại bị
dịch pha -90o do chiết suất của ống tăng lên kéo theo vận tốc tăng và làm giảm độ
trễ. Kết quả là 2 nữa sóng ánh sáng tại ngõ ra của bộ điều chế MZM bị lệch pha
nhau và triệt tiêu lẫn nhau như Hình 1-4b. Từ đó, có thể thấy được cường độ tín
hiệu ánh sáng ngõ ra của MZM có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện
áp phân cực. Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai nhánh
của ống dẫn sóng cũng có thể hiệu chỉnh và kiểm soát được.

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/56

Hình 1-4: Pha của sóng mang tín hiệu quang ngõ ra [5]
a) Không có điện áp b) Có điện áp điều khiển

Có 2 cách phân cực cho bộ MZM bao gồm phân cực đơn và phân cực đôi [4, tr128].
 Bộ MZM phân cực đơn:

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/56

Hình 1-5: Bộ MZM phân cực đơn [5]

Một nhánh của bộ MZM được phân cực khi đó ngõ ra bộ MZM được tính như sau:
E0 =

(1.2)

Với E0 là cường độ ánh sáng ngõ ra, Ein là cường độ ánh sáng ngõ vào, Vin điện áp
phân cực trên, V là điện áp phân cực để pha dịch đi một góc phần .
 Bộ phân cực đôi MZM

Hình 1-6: Bộ MZM phân cực đôi [5]

Hai nhánh đều được phân cực bởi các điện thế phân cực V 1 và V2, khi đó cường độ
ánh sáng tại ngõ ra là:
E0 =

(1.3)

Với V1 = VData  Vbias ; V2 = VData + Vbias
Với VData là điện áp của dữ liệu và Vbias là điện áp phân cực một chiều.
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/56

 Bộ ghép kênh
Bộ ghép kênh là một vi thấu kính dùng để hội tụ ánh sáng, sau khi được điều chế
vào sợi quang nhằm để nâng cao hiệu suất đưa ánh sáng vào sợi quang.
1.1.2 Bộ thu quang
Bộ thu quang đảm nhận vai trò thu nhận tín hiệu quang từ kênh truyền, chuyển đổi
ngược lại tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng cách ứng dụng kỹ thuật giải điều
chế để khôi phục lại thành tín hiệu được phát đi ban đầu. Dựa vào nguyên lý biến
đổi trực tiếp năng lượng photon sang năng lượng điện nên bộ thu quang được gọi là
linh kiện tách quang lượng tử hay gọi tắt là linh kiện để tách sóng quang.
 Linh kiện biến đổi quang  điện bán dẫn (photodiode)
Linh kiện biến đổi quang điện được biết đến trong thông tin quang là photodiode
hay photodetector. Chức năng chính của linh kiện này là biến đổi tín hiệu quang
thành tín hiệu điện tại ngõ ra. Hiện nay, các loại photodiode thường được dùng hiện
nay trong hệ thống thông tin quang chủ yếu là photodiode PIN và photodiode thác
lũ APD.
1.1.3 Kênh truyền sợi quang
Kênh truyền sợi quang là thành phần quan trọng bậc nhất trong hệ thống thông tin

quang vì nó đảm nhận vai trò truyền tải tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu.
Cáp sợi quang cơ bản gồm hai lớp là lớp lõi (core) có chiết suất là n 1, lớp vỏ bọc
(cladding) có chiết suất n2. Ánh sáng truyền trong sợi quang dựa vào hiện tượng
phản xạ toàn phần giữa mặt phân cách lớp lõi và lớp vỏ bọc vì vậy mà chiết suất n 1
luôn lớn hơn n2 [1]. Sợi quang được phân loại thành sợi đơn mode và đa mode dựa
theo số mode sóng truyền trên sợi. Hình 1-7 và Hình 1-8 minh hoạ cấu tạo và phân
loại của sợi quang.

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/56

Hình 1-7: Cấu tạo cáp sợi quang [6]

Hình 1-8: Phân loại sợi quang [14]

Khi tín hiệu lan truyền trên cáp sợi quang thì chúng cũng bị tác động bởi các yếu tố
làm giảm chất lượng và hạn chế tốc độ truyền cũng như khoảng cách truyền tín hiệu
trên sợi quang. Các yếu tố của sợi quang ảnh hưởng đến truyền thông tin gồm có:
suy hao, tán sắc, các hiện tượng phi tuyến xảy ra trên sợi quang.
 Sợi quang đơn mode G.652 A
Theo khuyến nghị sử dụng sợi cáp thì G.652 liên quan đến đặc tính của cáp và sợi
đơn mode thì sợi quang đơn mode được thiết kế để hoạt động tối ưu tại cửa sổ bước
sóng là 1310 nm. Vì ở bước sóng này, sợi quang có hệ số tán sắc rất nhỏ thậm chí
xấp xỉ bằng không. Sợi quang cũng hoạt động ở bước sóng 1550 nm nhưng sợi

quang G.652 A không đáp ứng tối ưu cho cửa sổ quang này. Bảng 1-1 biểu diễn các
thông số kỹ thuật của sợi quang G.652 A theo tiêu chuẩn ITU [9].

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/56

Bảng 1-1: Thông số cơ bản của sợi cáp quang G.652 A [12]

Các thông số trên sợi quang
Thông số

Đường kính trường mode

Đường kính lớp bọc

Suy hao uốn cong vi mô

Chi tiết

Giá trị

Bước sóng
Đường kính lõi

1310 nm
8.6 – 9.5 μm

Dung sai

± 0.6 μm

Đường kính

125.0 μm

Dung sai

± 1 μm

Bán kính
Số vòng

30 mm
uốn

cong
Max tại λ =
1550
λ0min
λ0max

100
0.1 dB
1300 nm

1324 nm

Hệ số tán sắc màu
S0max
Hệ số suy hao

0.092ps/nm2.km

Max tại 1310 nm 0.5dB/km
Max tại 1550 nm 0.4dB/km

1.2 Công nghệ Radio over fiber
Để đáp ứng nhu cầu đang gia tăng trong hệ thống truyền thông, việc tích hơp mạng
công nghệ quang và vô tuyến không dây là giải pháp đầy hứa hẹn. RoF nghĩa là tín
hiệu quang được điểu chế tại tần số vô tuyến và được truyền thông qua kênh truyền
sợi quang. Công nghệ RoF là hệ thống giao thông có tiềm năng rất đáng kể trong
việc phục vụ thuê bao khách hàng cố định cũng như di động với dung lượng truyền
tải cải thiện, tính linh hoạt quan trọng, băng thông lớn cùng với việc gia tăng tính
lưu động một cách đầy hiệu quả nhất là về chi phí.
1.1.1.1 Sự kết hợp sợi quang và sợi vô tuyến
Ngày nay mạng băng thông rộng ngày càng đòi hỏi rất lớn trong chuyển phát thông
tin, các công nghệ truy nhập vô tuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng cellular
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/56

kèm theo tăng tính di động cho các thiết bị trong mạng. Bên cạnh đó, để tăng băng
thông truyền, người ta sẽ áp dụng các kỹ thuật truy nhập tiên tiến hơn như WDM
kết hợp OFDM. Do vậy, xu hướng giảm kích thước các cell lại để tăng số user. Số
lượng trạm thu phát cũng tăng lên cùng và dần chuyển sang hoạt động ở băng tần
microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh sự chồng lấn phổ với các băng tần
có sẵn. Băng tần mm gồm những ưu điểm như:
- Kích thước ănten nhỏ.
- Băng thông lớn.
Tuy nhiên, ở ở tần số mm hay nm suy hao của nó trong không gian rất lớn. Công
thức suy hao không gian được biểu diễn như sau :
(1.4)
Trong đó:
f là tần số tính bằng MHz, d là khoảng cách tính bằng km.
Dựa vào công thức (1.4), ta thấy rằng khi tần số tăng lên bao nhiêu lần thì bán kính
phủ sóng của một trạm thu phát cũng bị giảm đi bấy nhiêu lần để bù cho suy hao.
Thông thường khi muốn kết nối CS với các BS thì người ta hay sử dụng sợi quang
với những ưu điểm không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé,
mỗi sợi quang có thể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng
chục km. Kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến từ CS tới BS, và ngược lại được
gọi là kỹ thuật RoF, còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là
mạng truy nhập vô tuyến RoF gọi tắt là mạng RoF.
OFDM là một công nghệ đầy hứa hẹn vì hiệu suất phổ cao và khả năng chống nhiễu
mạnh mẽ. Hơn nữa, nó được thiết kế đặc biệt để cải thiện khả năng truyền dẫn hệ
thống cũng như gia tăng khoảng cách truyền dẫn qua kết nối sợi quang hay không
khí. Gần đây, một số hệ thống truy cập dựa trên OFDM đã được đề xuất, chẳng hạn
như điều biến OFDM WDM-PON, truy cập metro OFDM và hệ thống không dây
RoF-OFDM. Tuy nhiên, hệ thống hội tụ của OFDM trong mạng WDM-RoF chưa
bao giờ được phân tích, có thể cải thiện hiệu quả quang phổ của hệ thống truy cập
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)

PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/56

không dây, cũng hỗ trợ tích hợp liền mạch giữa không khí và truyền dẫn quang học.
Ngoài ra, công nghệ tái cấu trúc giảm chi phí và sự phức tạp trong trạm gốc (BS),
trong khi một bộ điều biến tích hợp có thể được sử dụng để tạo ra tín hiệu RoF và
PON đồng thời ở trạm trung tâm (CS).
1.1.4 Tổng quan về kỹ thuật RoF
Công nghệ RoF (Radio over Fiber) nghĩa là tín hiệu quang được điều chế ở sóng tần
số và được truyền qua tuyến cáp quang. Hệ thống RoF có cấu trúc như Hình 1-9.
O/E

CS
MOBILE
MH

BS
SOURCE
E/O

E/O
O/E

MOBILE

Am

Hình 1-9: Một microcell CS – BS – MH trong kiến trúc RoF [1]

Một hệ thống RoF bao gồm thiết bị đầu cuối di động (MH), trạm cơ sở (BS) và trạm
điều khiển trung tâm (CS). Tín hiệu truyền giữa trạm CS và các trạm BS được
truyền trên nền quang thông qua mạng lưới RoF.
1.1.1.2 Thiết bị di động đầu cuối MH (Mobile Host)
Các MH là các thiết bị di động trong mạng đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối 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.
1.1.1.3 Trạm cơ sở BS (Base Station)
- BS có chức năng: Phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH và nhận
sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về cho trạm CS.
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/56

- BS không có chức năng: Xử lý tín hiệu và nó chỉ đơn thuần là biển dổi từ
thành phần điện sang quang hoặc ngược lại để truyền về hoặc nhận từ CS.
- Trong mạng RoF, thì BS phải rất đơn giản. Thành phần quan trọng nhất của
hệ thống là ăng-ten và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF.
- Việc lắp đặt số lượng trạm BS để phủ sóng cho một vùng còn tuỳ thuộc vào
bán kính phủ sóng của mỗi BS. Thông thường, bán kính phục vụ của BS
thường khá là nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) nên chỉ

có thể phục vụ được vài chục đến vài trăm các MH.
1.1.1.4
-

Trạm trung tâm CS (Central Station)
Tuỳ vào khả năng hệ thống RoF song mà mỗi CS có thể truyền tải tới các
BS ở khoảng cách xa, thậm chí hàng chục km. Mỗi CS có thể kết nối tới
nhiều BS khác nhau.

-

Đây là kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến,
cấp phát kênh, xử lý tín hiệu… đều được thực hiện ở CS. Vì vậy, CS có
thể xem là thành phần quan trọng nhất trong kiến trúc mạng RoF.

Một tuyến quang kết nối giữa BS và CS:
-

Dùng để truyền tải tín hiệu quang từ BS đến CS và ngược lại.

-

Phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn giữa BS và CS, sẽ có thêm các
thiết bị xử lý tín hiệu như bộ khuếch đại, bộ lọc nhằm đảm bảo chất
lượng tín hiệu tại ngõ ra.

-

Để tăng khoảng cách truyền dẫn và tăng chất lượng tín hiệu các bước
sóng quang. Sợi đơn mode chuẩn thường dùng ở cửa sổ quang 1330 nm

hoặc 1550 nm vì ở hai bước sóng này cơ bản có độ tán sắc và suy hao
thấp.

-

Để đảm bảo chất lượng thông tin thì cách truyền tín hiệu trên tuyến quang
là đơn hướng (simplex), vì vậy hệ thống yêu cầu hai sợi cho hai hướng
truyền (duplex).

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/56

Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF:
-

Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được
tập trung ở CS nhằm đơn giản hoá cấu trúc của BS. Các Bs có chức năng
chính đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF.

-

Kiến trúc mạng tập trung cung cấp khả năng cấu hình tài nguyên và cấp
băng thông động cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Hơn nữa
nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng trở nên đơn

giản hơn rất nhiều.

-

Nếu khắc phục các nhược điểm trong RoF, thì một CS có thể phục vụ
được các BS ở rất rất xa kèm theo là tăng bán kính phục vụ của CS.

Các tín hiệu vô tuyến truyền trên tuyến có thể là tín hiệu băng gốc (baseband data),
tín hiệu được điều chế ở trung tần IF hoặc tín hiệu cao tần RF. Các tín hiệu tạo ra
phải đáp ứng các thông số kỹ thuật theo yêu cầu của các ứng dụng không dây như
hệ thống GSM hoặc hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UTMS), WLAN,
WiMax [5].
1.1.5 Kỹ thuật truyền dẫn RoF
Khung cấu trúc tuyến RoF thường được phân loại dựa vào dải tần số hoạt động của
các tín hiệu vô tuyến được truyền, tín hiệu RF (tần số vô tuyến) này có thể được
điều chế lên băng tần RF (cao tần), IF (trung tần) hay sử dụng dữ liệu băng gốc
(baseband) tuỳ vào từng mục đích sử dụng và khai thác.
Trường hợp các tín hiệu băng gốc (baseband), được biến đổi trung tần IF nhằm mục
đích để đơn giản việc thực hiện các yêu cầu về thiết kế như (bộ lọc, bộ khuếch đại,
bộ lặp,…) vì việc xử lý tín hiệu tại tín hiệu trung tần đơn giản hơn nhiều, do các
thiết bị không cần hoạt động ở vùng tần số cao nên sẽ ổn định cộng với giá thành rẻ
hơn. Để điều chế IF lên RF chúng ta thường sử dụng kỹ thuật nâng cao băng tần
bằng phương pháp trộn tần số [5].

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/56

Hình 1-10: Sơ đồ truyền tín hiệu RF trên tuyến RoF [1]

Đầu tiên, dữ liệu vô tuyến nhận được tại bộ phát và tuỳ theo mục đích sử dụng mà
ta có thể sử dụng tín hiệu băng thông gốc (baseband) hoặc điều chế lên băng tần IF
hay RF. Sau đó, tín hiệu RF này được điều chế thành dạng tín hiệu quang thông qua
các phương pháp điều chế sóng mang quang như điều chế trực tiếp hoặc bộ điều chế
ngoài. Tín hiệu quang được truyền trên sóng quang đi đến thiết bị thu. Tại phía thu,
bộ chuyển đổi quang điện chuyển đổi quang điện chuyển sóng quang trở lại thành
dạng tín hiệu RF. Bộ phận thu có thể có thêm bộ lọc và thiết bị khuếch đại để lọc
nhiễu và tăng cường công suất tín hiệu do nhiễu và suy hao gây ra trên đường
truyền quang.
1.1.6 Các ưu thế của công nghệ RoF
Xét về truyền thông tin vô tuyến trên sợi quang so với phương pháp truyền vô tuyến
thông thường thì công nghệ RoF có các ưu điểm sau:
 Băng thông rộng.
 Suy hao tín hiệu thấp.
 Can nhiễu với tần số vô tuyến.
 Giảm công suất tiêu thụ.
 Phân bố tài nguyên động.
 Vận hành linh hoạt.
 Dễ dàng cài đặt và bảo dưỡng.
1.1.7 Các ứng dụng trong thực tế của công nghệ RoF
THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/56

Ngày này, các mô hình mạng sử dụng RoF đang dần được áp dụng và phát triển trên
thế giới như Wireless Lan, mạng VCC, mạng truy cập WIMAX, MBS (Mobile
Broadband Services), VDS (Video Distribution Systems), … đồ án giới thiệu mô
hình mạng VCC (Vehicle Communication and Control).
1.1.1.5 Mạng VCC sử dụng công nghệ RoF
Kiểm soát phương tiện được cân nhắc như là một trong những ứng dụng tiềm năng
của công nghệ RoF. Các tần số giữa 63-64 GHz và 76-77 GHz đã được phân bổ cho
dịch vụ này ở châu âu. Mục tiêu để cung cấp phạm vi bao phủ truyền thông di động
liên tục trên các tuyến đường chính dành cho các hệ thống truyền tải thông minh
(ITS) chẳng hạn như hệ thống RVC (Road Vehicle Communication) và IVC (Inter
Vehicle Communication).
Hệ thống ITS nhằm để cung cấp môi trường thông tin, cải thiện tính hiệu quả của
việc di chuyển, giảm gánh nặng cho tài xế, và đóng góp cho sự cải thiện của môi
trường [7]. Để đạt được phạm vi mở rộng che phủ yêu cầu của mạng lưới đường xá,
nhiều trạm cơ sở BS được đưa ra. Điều này có thể được tiến hành đơn giản và chi
phí thấp bằng cách đưa chúng qua hệ thống RoF, do đó sẽ đạt được hệ thống hoàn
chỉnh với giá thành hợp lý và đơn giản trong công tác quản lý.
1.1.8 Các giới hạn của công nghệ RoF
Vì RoF liên quan đến điều chế tín hiệu tương tự và bộ phát hiện ánh sáng. Vì vậy,
các nhược điểm của tín hiệu bao gồm như nhiễu và méo dạng được kèm theo. Điều
này rất quan trọng trong hệ thống truyền thông tương tự.
-

Nhiễu trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ
tương đối của LASER, nhiễu pha LASER, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang
và nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại.

-

Trong hệ thống RoF, méo dạng chính do méo dạng phi tuyến của quá trình
điều chế và tán sắc sợi quang. Đối với hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode
tán sắc màu là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF. Mặt khác, hệ

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/56

thống dùng sợi đa mode thì tán sắc mode là thành phần chủ yếu gây méo
dạng tín hiệu.
Để khắc phục các méo dạng này thì các kỹ thuật bù trong thông tin quang có thể
được áp dụng tại bộ phát để tuyến tính hoá đặc tính điều chế và tại bộ thu thông qua
các kỹ thuật ước lượng kênh và cân bằng kênh truyền.

THIẾT KẾ HỆ THÔNG ROF (RADIO OVER FIBER)
PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTICAL SYSTEM

TRÊN NỀN OFDM-WDM VÀ MÔ