Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (tt)

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

TRẦN TRỌNG TÙNG ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8520208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN

Phản biện 1:

Phản biện 2:
Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lục:

.......... giờ .......... ngày tháng năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
‐ Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông

1

PHẦN MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin
ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi về mạng lưới viễn thông phải có tốc
độ cao, dung lượng lớn. Do vậy sử dụng truyền dẫn quang với băng thông cực
lớn luôn là công nghệ nền tảng để đáp ứng được nhu cầu đó.
Tuy nhiên sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải pháp nâng
cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) quang là một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong
những năm gần đây. Đây là kỹ thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả
phổ tần số mà còn làm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi quang một trong những
giới hạn chính khi hệ thống hoạt động ở tốc độ cao. Với các hệ thống quang cự
ly ngắn, không đòi hỏi ngặt nghèo về hiệu quả sử dụng phổ tần số, giải pháp sử
dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation with Direct
Detection - IM/DD) được sử dụng phổ biến do sự đơn giản trong cấu trúc bộ
phát, bộ thu và dễ thực hiện.
Trong các ứng dụng cho các mạng truy nhập và mạng vùng đô thị với
khoảng cách truyền dẫn không quá lớn và dung lượng vừa phải, giải pháp
IM/DD-OFDM là một lựa chọn phù hợp vì tính kinh tế và dễ triển khai. Tuy
nhiên khác với hệ thống OFDM trong vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực
tiếp sẽ chịu ảnh hưởng của phi tuyến sợi quang và giới hạn hiệu năng hệ thống.
Với mục đích khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hiệu năng hệ thống
OFDM quang, từ đó đánh giá được các điều kiện giới hạn cũng như có thể đề
xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống, luận văn đã thực hiện với cấc
nội dung sau đây:
Chương 1:Tổng quan kỹ thuật OFDM trong hệ thống quang

Chương 2: Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang sợi
Chương 3: Khảo sát hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp
dưới ảnh hưởng của phi tuyến


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ
THỐNG QUANG
1.1. Mở đầu
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin
ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi một mạng lưới viễn thông phải có tốc
độ cao, dung lượng lớn. Với sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải
pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật
ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) quang là một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong những
năm gần đây. Đây là kỹ thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả phổ tần số
mà còn làm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi quang một trong những giới hạn chính
khi hệ thống hoạt động ở tốc độ cao.
Với mục đích làm rõ và đưa ra các giải pháp để tối ưu hiệu năng hệ thống
OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD), trong chương 1 của luận văn sẽ đi
tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật OFDM nói chung, từ đó nêu lên các giải pháp tạo tín
hiệu OFDM trong hệ thống quang cũng như các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng
hệ thống.

1.2. Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua
nhiều năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã
được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới.

1.3. Đơn sóng mang và đa sóng mang
1.3.1. Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền
đi chỉ trên một sóng mang. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao
thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng
mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang.


3

1.3.2. Đa sóng mang (Multi - Carrier)
Nếu hệ thống truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều
sóng mang, hệ thống đó được gọi là đa sóng mang. Mỗi sóng mang tải một phần dữ
liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp
tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng
mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích.

1.4. Nguyên lý hoạt động của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ
thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống.
Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng
thời gian bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM.

Hình 1.1. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và
kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống OFDM

4

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P). Mỗi dòng dữ liệu
song song sau đó được đưa qua khối mã hóa dữ liệu và điều chế số để mã hoá dữ
liệu dưới dạng số, mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp
theo một trình tự hỗn hợp.
Sau đó, những ký hiệu hỗn hợp này được đưa qua bộ biến đổi IFFT tạo ra
đặc trưng trực giao của các sóng mang con. Tín hiệu sau khi được trực giao hóa nhờ
bộ IFFT sẽ được chuyển đổi trở về dạng dữ liệu nối tiếp bằng bộ chuyển đổi song
song - nối tiếp (P/S). Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký
tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau khi đã được chèn
khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số đó sẽ được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự
(D/A) để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các
nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, quá trình
được thực hiện ngược lại với quá trình phát. Tín hiệu được lấy mẫu và sau khi qua
bộ biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số. Tiếp đến, phần CP được loại
bỏ. Sau khi loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu được đưa qua bộ biến đổi S/P để chuyển từ
dạng nối tiếp sang song song, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT. Các kí hiệu hỗn hợp thu
được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Các kí hiệu song song sau bộ
FFT được chuyển về dạng nối tiếp qua bộ P/S. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được
dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

1.5. Phương pháp điều chế OFDM
Trước khi chúng ta tìm hiểu phương pháp điều chế OFDM, chúng ta sẽ tìm
hiểu phương pháp điều chế đơn song mang và đa sóng mang. Từ đó có thể nhận
thấy được những ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM.

1.5.1. Điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi
trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng
tần và mỗi tín hiệu có độ dài là: Tsc  1/ B


5

1.5.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang
Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải
thiện các nhược điểm của phương pháp điều chế đơn sóng mang.
Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần
con là khác nhau.
Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu
trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy, ảnh hưởng của nhiễu liên
tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm.

1.5.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần. Ngược lại nếu các kênh phụ
thuộc được khoảng cách nhật định thì sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Để vừa
tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang, người ta
đã sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau.
Các bước điều chế tín hiệu OFDM:
(1) Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song.
(2) Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức.
(3) Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ.
𝑡

(4) Nhân với hàm phức 𝑒 𝑗𝑛𝜔𝑠

(5) Tạo khoảng bảo vệ

1.6. Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD)
Các giải pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM – quang được chia
làm hai loại cơ bản tuỳ thuộc vào phạm vi của hệ thống truyền dẫn. Với các hệ
thống quang cự ly ngắn, không đòi hỏi ngặt nghèo về hiệu quả sử dụng phổ tần số,
giải pháp sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (intensity modulated and
direct detected: IM / DD) liên kết sợi PON được sử dụng phổ biến do sự đơn giản
trong cấu trúc bộ phát, bộ thu và dễ thực hiện. Mô hình hệ thống OFDM quang thu
trực tiếp tầm ngắn được thể hiện trong hình 1.3 dưới đây.


6

Hình 1.3. Mô hình hệ thống OFDM IM / DD tầm ngắn

1.7 Ứng dụng OFDM trong mạng quang thụ động
OFDM-PON có thể được kết hợp với hệ thống WDM để tăng cường cung
cấp băng thông, và do đó trở thành một công nghệ cạnh tranh sau này. OFDM PON
có những ưu điểm sau:
-

Tăng cường hiệu quả quang phổ: tính trực giao giữa các sóng mang con
trong OFDM cho phép chồng chéo quang phổ của kênh phụ riêng lẻ.

-

OFDM là một công nghệ trưởng thành trong truyền thông không dây đã
được áp dụng cho WiMAX, WiFi và UWB (Ultra-Wideband). Bằng cách
sử dụng OFDM để mang tín hiệu PON, OFDM hỗ trợ truy cập OFDM

baseband, UWB, WiMAX, WiFi và tín hiệu OFDM sóng millimet.

1.8. Kết luận chương 1
Kỹ thuật OFDM quang có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác
không có được. Kỹ thuật này làm cho thông tin truyền đi với tốc độ cao bằng
cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số 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.


7

CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN
TRONG HỆ THỐNG QUANG SỢI
2.1. Mở đầu
Trong các ứng dụng cho các mạng truy nhập và mạng vùng đô thị với khoảng cách
truyền dẫn không quá lớn và dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM là một
lựa chọn phù hợp vì tính kinh tế và dễ triển khai. Sự kết hợp với kỹ thuật WDM sẽ
làm tăng năng lực và tính cạnh tranh cho toàn bộ giải pháp. Tuy nhiên khác với hệ
thống OFDM trong vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp sẽ chịu ảnh
hưởng của phi tuyến sợi quang và giới hạn hiệu năng hệ thống. Ảnh hưởng này trở
thành yếu tố cần xem xét trong điều kiện khoảng cách hệ thống được mở rộng đòi
hỏi quỹ công suất lớn hơn bằng việc nâng công suất phát kênh truyền.
Do vậy trong chương 2 này, luận văn sẽ trình bày các hiệu ứng phi tuyến
trong sợi quang thông qua đó làm rõ hiện tượng, tính chất, ảnh hưởng của chúng
trong hệ thống truyền dẫn quang nói chung và trong hệ thống OFDM quang nói
riêng.

2.2. Hệ thống truyền dẫn quang sợi
Hệ thống truyền thông quang là hệ thống sóng ánh sáng truyền thông tin
thông qua sợi quang.

Hình 2.1. Hệ thống truyền thông quang học


8

2.3. Ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống quang sợi
2.3.1 Khái niệm hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến trong quan sợi xảy ra do sự thay đổi hệ số khúc xạ trong
sợi và hiện tượng tán xạ không đàn hồi. Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu
các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất).
Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền
dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên.

2.3.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến xuất hiện khi công suất quang phát trên đường truyền
tăng đến mức đủ lớn. Nguyên nhân gây ra hiện tương này là do 2 yếu tố:
- Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào công suất ánh sáng:
n=n0 + n2

𝑃0
𝐴𝑒𝑓𝑓

(2.1)

Trong đó:n0: là chỉ số chiết suất tuyến tính.
n2: là chỉ số chiết suất phi tuyến. Giá trị điển hình của n2 trong thủy

tinh silic là 3,2.10-20m2/W và không phụ thuộc vào bước sóng.
Leff -chiều dài hiệu dụng, Aeff - diện tích hiệu dụng, Ieff - cường độ hiệu dụng.
- Yếu tố thứ 2 gây ra hiệu ứng phi tuyến đó là do hiện tượng tán xạ kích thích
như hiệu ứng tán xạ Raman kích thích, hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích.

2.3.3. Phân loại hiệu ứng phi tuyến

Hình 2.2. Phân loại hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang


9

2.3.4. Hiệu ứng tán xạ kích thích
Trong vật lý học, 1 phonon là 1 giả hạt có đặc tính lượng tử của mode dao
động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn. Khi các tế bào đơn
vị có nhiều hơn 1 nguyên tử, các tinh thể sẽ bao gồm 2 loại phonon: âm học và
quang học.
-

Phonon âm học: là ion dương và âm dao động cùng chiều.

-

Phonon quang học: dễ dàng bị kích thích bằng ánh sáng, các ion âm và
dương dao động ngược chiều.

2.3.4.1. Tán xạ do kích thích Raman – SRS
* Nguyên nhân
Tán xạ do kích thích Raman SRS là hiện tượng một nguyên tử hấp thụ năng
lượng của 1 photon, sau đó tạo ra một photon có năng lượng khác. Vì vậy, SRS

được định nghĩa là hiện tượng photon thứ cấp được sinh ra do kích thích từ nguồn
bên ngoài. Trong hệ thống đa kênh, SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh
có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng dài hơn).

Hình 2.3. Tán xạ Raman kích thích trong hệ thống WDM

 Tính chất
-

Tán xạ tia sáng được dịch chuyển trong tần số 13THz, hay còn được gọi
là dịch chuyển Stoke.

-

Băng thông khuếch đại của SRS là 20-30THz.

-

Tán xạ SRS là một quá trình đẳng hướng xảy ra trên tất cả mọi hướng.

-

Tiến trình SRS trở nên bị kích thích nếu công xuất bơm vượt giá trị
ngưỡng.

* Ảnh hưởng:


10

Hiện tượng tán xạ SRS không xảy ra trong hệ thống quang đơn kênh bởi vì
mức ngưỡng tương đối cao của nó, khoảng 500mW gần bước sóng 1550nm. Trong
hệ thống OFDM quang, sợi quang hoạt động như bộ khếch đại Raman, những kênh
có bước sóng dài sẽ được khuếch đại bởi những kênh có bước sóng ngắn.

2.3.4.2. Tán xạ do kích thích Brillouin – SBS
* Nguyên nhân
Tán xạ kích thích Brillouin SBS, xảy ra khi trường điện từ kích thích sóng
âm trong môi trường chất. Khi có sự hình thành bước sóng Stoke dài hơn bước sóng
của ánh sáng tới, mỗi phần ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học và làm cho
phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn.
 Tính chất
-

Tán xạ SBS xảy ra trên dải tần hẹp ∆𝑓=20MHz ở bước sóng 1550nm.

-

Không gây ra bất kì tác động qua lại nào giữa các bước sóng khác nhau
khi khoảng cách bước sóng > 20MHz.

-

Tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu (hướng
về nguồn) làm suy giảm tín hiệu mạnh.

* Ảnh hưởng:
Trong hệ thống quang, SBS làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng lượng
này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép.

2.3.5. Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng
được gọi là hiệu ứng chiết suất phi tuyến. Trong đó, toàn bộ các trường tham gia
vào tương tác phi tuyến ở cùng một tần số. Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến xảy ra do sự
phụ thuộc của độ cảm của môi trường vào cường độ trường E.
Biểu thức vector phân cực: P   0  E

(2.2)

Tuy nhiên trong môi trường phi tuyến, biểu thức vector phân cực biểu diễn
như sau:
P   0  (1) E   0  (2) E 2   0  (3) E 3  ...

Trong đó: 𝜀0 : Hằng số điện mô𝑖, 𝑋 𝑖 : Độ cảm bậc i của môi trường

(2.3)


11

2.3.5.1. Hiệu ứng tự điều pha SPM
 Nguyên nhân
Hiệu ứng tự điều pha (Self-Phase Modulation: SPM) làm cho phổ của tín
hiệu truyền bị dãn rộng trong quá trình truyền dẫn. Chiết suất của môi trường truyền
dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. Sự dịch tần phi truyến làm cho sườn
trước của xung dịch đến tần số 𝜔 < 𝜔0 và sườn sau của xung dịch đến tần số 𝜔 >
𝜔0 . Chính điều này làm phổ của tín hiệu bị mở rộng trong quá trình truyền dẫn.
 Tính chất:
Ta có pha  tạo ra bởi trường E theo chiều dài cáp quang L được cho bởi:



2



nL

(2.4)

với  là bước sóng của xung quang truyền trong sợi có chiết suất n.
Đối với sợi quang trong hệ thống có công suất truyền lớn n và L có thể được
thay thế bởi neff và Leff tương ứng:




2


2



neff Leff

 nl  nnl I  Leff

(2.5)

(2.6)

Thành phần đầu tiên vế bên phải là phần tuyến tính của hệ số pha 1 và thành phần
thứ hai là là hệ số pha phi tuyến nl .
Ảnh hưởng:
Hiệu ứng tự điều pha SPM dẫn đến sự giao thoa gây nhiễu giữa các kênh,
đặc biệt là khoảng cách giữa các kênh gần nhau.
Giải pháp để hiệu ứng tự điều pha SPM không ảnh hưởng đến hệ thống
thông tin quang, chúng ta cần giữ nl  1 với mức cho phép lớn nhất có thể là 0.1.

2.3.5.2. Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM
 Nguyên nhân


12

Khi 2 hay nhiều sóng quang cùng lan truyền trong 1 sợi quang, chúng có thể
tương tác với nhau qua tính phi tuyến của sợi quang. XPM là một trong những hiệu
ứng phi tuyến có ảnh hưởng khá lớn đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống, đặc
biệt là hệ thống truyền dẫn đa kênh.
Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM xảy ra khi có nhiều kênh trên một đường
truyền. Sự phụ thuộc độ dịch pha của một kênh vào cường độ của các kênh kia.
 Tính chất:
Đối với hệ thống N kênh truyền, thì độ dịch của kênh thứ i sẽ là
N


   Leff  Pi  2 Pn 
n i



i
nl

(2.7)

̅̅̅̅̅
Trong đó: N là số kênh, Pi là công suất kênh i (i=1,
𝑁)
Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ
dịch pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ
thuộc vào kiểu bit của kênh lân cận.
 Ảnh hưởng:
Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn
thông qua cơ chế chirp tần và tán sắc như với SPM. Việc dịch pha do XPM chỉ có
thể xảy ra khi hai xung ở hai kênh khác nhau xếp chồng đồng thời.

2.3.6. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM
 Nguyên nhân
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có nguồn gốc từ độ cảm phi
tuyến bậc 3 được biểu diễn bởi 𝜒 (3) . Nếu 3 trường quang với tần số sóng mang 𝜔1 ,
𝜔2 , 𝜔3 lan truyền đồng thời trong sợi. 𝜒 (3) tạo ra trường thứ tư mà tần số 𝜔4 của nó
liên quan với các tần số khác qua công thức
𝜔4 = 𝜔1 ± 𝜔2 ± 𝜔3

(2.8)

Hệ thống đa kênh sử dụng nhiều tần số sóng 𝜔1, 𝜔2, 𝜔3, , … , 𝜔𝑛 . Các nhóm 2
hoặc 3 tần số tương tác với nhau tạo thành tần số mới. Tương tác này có thể xuất
hiện: giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống, giữa bước sóng tín hiệu với

13

tạp âm ASE của bộ khuếch đại quang và giữa các sóng mang con trong một kênh
truyền.
 Tính chất
Hiệu ứng phi tuyến bậc ba có công thức như sau:

PNL   0  3 E 3

(2.9)

𝜔4 = 𝜔1 + 𝜔2 − 𝜔3

(2.10)

Bảo toàn năng lượng:
Hiệu ứng này không phụ thuộc vào tốc độ bit, mà phụ thuộc khoảng cách
giữa các kênh và tính tán sắc của sợi.
 Ảnh hưởng
Hiệu ứng trộn 4 bước sóng FWM là giảm công suất của các kênh tín hiệu
trong hệ thống. Nếu khoảng cách giữa các kênh bằng nhau thì những tần số mới
được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, điều này gây nhiễu cho hệ thống.
Bên cạnh đó, hiệu ứng FWM còn làm giảm chất lượng BER (tỉ lệ lỗi bit) của
hệ thống, làm cho khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống càng nhỏ, điều này
hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống.
FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh, nhưng nó ảnh
hưởng nghiêm trọng với hệ thống đa kênh.

2.4. Kết luận chương 2
Trong chương 2, luận văn đã trình bày được khái niệm và phân loại hiệu ứng
phi tuyến trong hệ thống thông tin quang. Bên cạnh đó, trong chương này, luận văn
đã đi tìm hiểu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang thông qua việc làm rõ hiện
tượng, tính chất, ảnh hưởng của chúng trong hệ thống truyền dẫn quang nói chung.
Đối với hệ thống OFDM quang gồm nhiều sóng mang con, các hiệu ứng XPM và
FWM có thể là nhữn hiệu ứng giới hạn hiệu năng chính của hệ thống. Đây là cơ sở
để xây dựng mô hình khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống OFDM
quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD) sẽ được trình bày trong chương 3 của luận
văn.


14

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM
QUANG THU TRỰC TIẾP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHI
TUYẾN
3.1 Mở đầu
OFDM đã được coi như là một định dạng điều chế mạnh mẽ được sử dụng
trong các mạng quang sợi có khoảng cách khác nhau như mạng quang thụ động
(PONs), hoặc các mạng đô thị hoặc đường dài. Tất cả các mạng này đều có lợi từ
những ưu điểm của OFDM bao gồm hiệu suất phổ cao, khả năng đa truy nhập ,và
khả năng bỏ qua nhiễu giữa xuyên kí hiệu và nhiễu xuyên kênh. Các mạng quang
thụ động thế hệ tiếp theo có thể sử dụng các hệ thống OFDM điều biến cường độ
thu trực tiếp (IM-DD) như một giải pháp mạnh mẽ để cung cấp hiệu suất quang phổ
cao, truy nhập nhiều người dùng, khả năng mở rộng, và chi phí triển khai và quản lý
thấp. Phổ biến cho tất cả các mạng thế hệ tiếp theo này là tính chất tín hiệu DSBOFDM và giải pháp DD hiệu quả về chi phí.
Trong hệ thống OFDM quang quan tâm hiện nay, hiệu ứng phi tuyến có thể
là một trong những thách thức chính cần được giải quyết. Sự suy giảm gây ra bởi
phi tuyến sợi quang là mối quan tâm của các hệ thống truyền dẫn OFDM quang nói

chung và hệ thống tầm OFDM quang IM-DD do số lượng kênh rất cao, khoảng
cách giữa các kênh giảm và mức công suất quang lớn được đưa vào sợi để giảm
ràng buộc chi phí của công suất. Thêm nữa, khi hệ thống OFDM quang kết hợp sử
dụng ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) thì ảnh hưởng phi tuyến càng được
tăng cường. Trong số các hiệu ứng sợi phi tuyến, tự điều chế pha (SPM), điều chế
pha chéo (XPM), và trộn bốn sóng (FWM) được xem là những hiệu ứng ảnh hưởng
quan trọng nhất trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau.
Trong phạm vi giới hạn của luận văn, ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên
hệ thống IM-DD OFDM quang trong ứng dụng kiểu kiến trúc mạng WDM-PON sẽ
được phân tích và khảo sát thông qua mô phỏng.


15

3.2 Ảnh hưởng quang phi tuyến trong hệ thống OFDM điều biến cường
độ thu trực tiếp
3.2.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM
Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM được tạo ra bởi một tập các kênh quang
học, với mỗi kênh bao gồm một thành phần sóng liên tục (CW) và một tín hiệu điều
biến.

3.2.1.1 Mô hình phân tích hiệu ứng
Hình 3.1 minh hoạ phổ (sóng mang và tín hiệu điều biến DSB-OFDM) của
ba kênh bơm đầu vào của hệ thống OFDM DSB sử dụng ghép kênh phân chia theo
bước sóng WDM và các thành phần FWM tạo ra ở đầu ra sợi. Mỗi kênh quang tại
đầu vào của sợi thu được bằng cách điều chế cường độ của một laser sử dụng bộ
điều biến Mach-Zehnder.

Hình 3.1. Mô hình phổ (sóng mang quang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của
3 kênh quang của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi, và các thành phần sóng mang – sóng

mang và sóng mang – tín hiệu FWM tương ứng ở đầu ra sợi.


16

3.2.1.2 Phương sai thành phần nhiễu FWM
Ta có tổng phương sai, được cho bởi công thức sau [8]:



2
FWM ,t

[k ] 

N FWM


i 1

2
FWM ,i

k 

(3.1)

Độ lớn vector sai số (EVM) gây ra bởi hiệu ứng FWM trong mỗi subcarrier
của một hệ thống OFDM quang có thể được ước tính từ tổng phương sai của suy
biến do FWM gây ra bằng công thức:

 FWM ,t [k ]
ˆ k   2
EVM
[
k
]

FWM , n
ps  k 
2

(3.2)

Trong đó:
2
ps[k], 𝜎𝐹𝑊𝑀,𝑛
[k] là công suất trung bình và phương sai chuẩn FWM của

subcarrier thứ k ở đầu ra máy thu OFDM. EVM do hiệu ứng FWM được tính bằng
cách tính trung bình EVM của mỗi sóng mang con trong OFDM.

3.2.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng XPM
3.2.2.1 Mô tả ảnh hưởng:
Hình 3.2 mô tả phổ (sóng mang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của
2 kênh đầu vào của tín hiệu WDM của hệ thống DSB-OFDM quang.


17

Hình 3.2: Mô tả phổ (sóng mang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của 2 kênh
của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi quang, và tín hiệu và các thành phần méo do XPM
tương ứng của đầu ra sợi quang.

3.2.2.2 Phương sai thành phần nhiễu XPM:
Phương sai chuẩn của dao động gây ra bởi XPM của sóng mang con thứ k ở
đầu ra của hệ thống dùng OFDM,  n2  k  , bao gồm cả hạ tần, FFT và bộ cân bằng,
tính bởi:

(3.3)
với Ps  k  là công suất điện trung bình của sóng mang con thu thứ k, S p ,i  f 
là PSD của nhiễu IM thứ i tại đầu ra sợi quang, H LPF ( f ) là hàm truyền đạt của LPF
ở đầu ra PIN, và M là số kênh nhiễu. H XPM , p ,i ( f ) là hàm truyền đạt của mô hình
tuyến tính tương ứng của IM gây ra bởi XPM theo kênh nhiễu thứ i, và được tính
bởi [9]:


18

(3.4)
với P XPM ,i ( ) được tính từ phương trình (3.15) với thông số của kênh
nhiễu thứ i.

3.3 Khảo sát ảnh hưởng phi tuyến lên hiệu năng của hệ thống OFDM
quang thu trực tiếp
3.3.1 Mô hình khảo sát
Mô hình hệ thống WDM-PON được đưa ra dựa trên tham khảo từ hình 3.3.
Theo đó mô hình đưa ra sẽ sử dụng 4 kênh OFDM sử dụng điều chế 4QAM với
bước sóng có khoảng cách kênh bằng nhau, đưa qua bộ ghép kênh WDM và truyền
trên sợi quang đơn mode. Tín hiệu quang thu được sẽ đi qua bộ giải ghép kênh

WDM Demux và được thu trực tiếp bằng các Photodetector PIN riêng cho từng
bước sóng. Hiệu năng của hệ thống được đánh giá qua tham số EVM được tính dựa
trên tính phương sai của sai số giữa chòm sao tín hiệu thu – phát.

Hình 3.3: Sơ đồ mô hình khảo sát hệ thống WDM-PON

3.3.2 Hệ thống mô phỏng
Khảo sát được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng Optisystem v14, kết hợp
sử dụng Matlab để biểu diễn đồ thị kết quả thu được.


19

3.3.2.1 Mô hình 1: Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh:

Hình 3.4: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp sử dụng một kênh truyền tín hiệu
Bảng 1: Tham số hệ thống OFDM đơn kênh

Hệ thống OFDM quang

Giá trị tham

thu trực tiếp

số

Tốc độ bit

10 Gb/s

Tần số laser phát

193.1 Thz

Bộ khuếch đại quang

5 dB

Kỹ thuật điều chế băng gốc

4-QAM

Số sóng mang con OFDM

512

Độ dài chuỗi bit

8192 bits

Tỉ lệ dập tắt bộ đ/c MZM

30 dB

Độ nhạy máy thu PIN

1 A/W


20

Hình 3.5: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp với hệ thống 4 kênh WDM PON

Bảng 2: Tham số hệ thống 4 kênh WDM-PON

Hệ thống OFDM quang

Giá trị tham số

thu trực tiếp
Tốc độ bit

10 Gb/s

Tần số laser phát kênh 1

193.05 Thz / 193.075 Thz

Tần số laser phát kênh 2

193.1 Thz

Tần số laser phát kênh 3

193.125 Thz / 193.15 Thz

Tần số laser phát kênh 4

193.15 Thz

/ 193.2 Thz

Bộ khuếch đại quang

5 dB

Kỹ thuật điều chế băng gốc

4-QAM

Số sóng mang con OFDM

512

Độ dài chuỗi bit

8192 bits

Tỉ lệ dập tắt bộ đ/c MZM

30 dB

Độ nhạy máy thu PIN

1 A/W


21

3.4 Kết quả mô phỏng

3.4.1 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh
Với hệ thống đơn kênh, ảnh hưởng phi tuyến chủ yếu là do hiệu ứng tự điều
pha SPM giữa các sóng mang con. Thiết lập sợi quang chiều dài 20km, suy hao 0.2
dB/km, với 2 trường hợp: tán sắc 16 ps/nm/km, dốc tán sắc 0.075 ps/nm2/km và tán
sắc 1 ps/nm/km, dốc tán sắc 0.01 ps/nm2/km.
Để thấy ảnh hưởng của phi tuyến, tham số hiệu năng EVM của hệ thống sẽ
được đo tại các mức công suất của laser phát CW khác nhau. Tham số EVM(%)
trên mỗi mức công suất của mỗi sợi quang được đo, sau đó chuyển sang dB với
công thức EVM (dB)  20log10 EVM (%) .

Hình 3.6: Biên độ vector lỗi (EVM) trong hệ thống OFDM đơn kênh

Nhận xét: Từ đồ thị vector lỗi EVM cho thấy rõ hệ thống OFDM quang đơn
kênh bắt đầu bị tác động của phi tuyến khi công suất tổng đưa vào sợi lớn hơn 11
dBm, ảnh hưởng gây ra bởi hiệu ứng tự điều pha SPM. Khi tán sắc kênh lớn, ảnh
hưởng của hiệu ứng SPM lên hệ thống cũng tăng theo. Hệ thống OFDM thu trực
tiếp sẽ bỏ qua tham số về pha của tín hiệu quang, tuy nhiên tán sắc trong sợi lớn
hơn thì sẽ ảnh hưởng đến cường độ nhiễu gây ra do quá trình chuyển đổi từ điều
biến pha sang điều biến cường độ, tăng cường thêm nhiễu điều biến cường độ tín
hiệu tại bộ thu.


22

3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 4 kênh WDM
Để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng điều chế pha chéo XPM và trộn bốn
sóng FWM lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp, mô hình hệ thống OFDM
quang thu trực tiếp sử dụng kĩ thuật ghép 4 kênh WDM được đưa ra để khảo sát.

3.4.2.1 Trường hợp sử dụng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn dài 20km

Hệ thống sử dụng sợi đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc 16 ps/nm/km và
độ dốc tán sắc 0.075 ps/nm2/km tại bước sóng 1550 nm.

Hình 3.7: EVM của 2 kênh 193.05 THz (xanh) và 193.1 Thz (đỏ) trong hệ thống
WDM OFDM

Nhận xét: Do có 4 kênh truyền nên hệ thống sẽ chịu thêm ảnh hưởng của
FWM và XPM, dẫn đến tác động của phi tuyến lên hệ thống trở nên mạnh hơn so
với hệ thống đơn kênh. Từ kết quả hình 3.7 cho thấy hệ thống bị suy giảm khi công
suất tổng đưa vào sợi lớn hơn 8 dBm, thấp hơn 3 dB so với hệ thống đơn kênh. Mức
EVM tối thiểu cũng tăng lớn hơn 1 dB so với hệ thống đơn kênh. Cụ thể hơn, kênh
1 (193.05 Thz) chịu ảnh hưởng tác động ít hơn kênh 2 (193.1 Thz) do kênh 2 ở giữa
nên bị nhiều tác động của phi tuyến hơn so với kênh bên ngoài. Trong trường hợp
sử dụng sợi đơn mode chuẩn này có thể thấy ảnh hưởng XPM chiếm ưu thế hơn so
với các hiệu ứng khác. Do hiệu ứng FWM trong sợi tán sắc lớn sẽ bị suy giảm
nhanh vì điều kiện phối hợp pha, trong khi ảnh hưởng XPM tăng lên tại sợi tán sắc
lớn do kết quả của quá trình chuyển đổi PM-IM.


23

3.4.2.2 Trường hợp sử dụng sợi quang dịch tán sắc dài 20km
Sợi dịch tán sắc có tán sắc 1 ps/nm/km, dốc tán sắc 0.01 ps/nm2/km tại 1550
nm.

Hình 3.8: So sánh EVM của kênh 2 (193.1 Thz)

Nhận xét: Ta thấy được rằng khi giảm tán sắc của sợi quang thì ảnh hưởng
hiệu ứng XPM cũng bị giảm do sự chuyển đổi PM-IM giảm, thay vào đó ảnh hưởng
của FWM sẽ được tăng cường vì điều kiện phối hợp pha giữa các kênh dễ thỏa mãn.

Hình 3.8 cho thấy hiệu năng hệ thống sử dụng sợi dịch tán sắc bị suy giảm khi công
suất tổng lớn hơn 6 dBm, giảm 2 dB so với trường hợp trước. Hơn nữa EVM tối
thiểu cũng tăng lên hơn 3 dB so với trước.
Để xem xét ảnh hưởng khoảng cách kênh hệ thống được khảo sát với khoảng
cách kênh giảm xuống 25Ghz. Khi thu hẹp khoảng cách giữa các kênh, khả năng
phối hợp pha giữa các kênh sẽ tốt hơn làm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM tăng lên
dẫn đến hệ thống bị suy giảm hiệu năng nhanh chóng. Điều này làm hạn chế khả
năng tận dụng phổ của hệ thống OFDM thu trực tiếp.

3.4 Kết luận chương 3
Chương 3 của luận văn đã đi sâu phân tích ảnh hưởng của các hiệu ứng phi
tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp về mặt lý thuyết đã có, từ đó xây
dựng được hai mô hình mô phỏng cùng với tham số thích hợp và đưa ra các kết quả