Tài liệu Nghiên cứu tính năng hệ thống rof sử dụng kỹ thuật ofdm

  • Số trang: 26 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 142 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34345 tài liệu

Mô tả:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Nguyễn Trần Hoàng Giang NGHIÊN CỨU TÍNH NĂNG HỆ THỐNG ROF SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: …………………………………………………………… (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Thông tin vô tuyến đã trở thành một phần không thể thiếu trong xã hội ngày nay. Sự gia tăng liên tục của các thiết bị di động và không dây cùng với nhu cầu về các dịch vụ băng rộng đã tạo áp lực phải tăng dung lượng của các hệ thống vô tuyến. Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF) là công nghệ được mong đợi sẽ đóng vai trò quan trọng trong mạng không dây hiện tại và trong tương lai vì nó cung cấp cho người dùng đầu cuối khả năng truy cập dịch vụ mạng băng rộng thực sự trong khi vẫn đảm bảo yêu cầu tính di động của việc truy cập đang ngày càng tăng. Trong khi đó kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) phân bổ dữ liệu qua số lượng lớn các sóng mang con được đặt cách nhau tại các tần số chính xác với các băng tần chồng lấn. Kỹ thuật OFDM cung cấp hiệu suất phổ, khả năng chống nhiễu RF tốt nhất và độ méo đa đường thấp cho hệ thống không dây do nó sử dụng kỹ thuật FFT cho điều chế đã cung cấp tính trực giao cho các sóng mang con này để quá trình giải điều chế không bị xuyên nhiễu giữa các băng tần. Sử dụng kỹ thuật OFDM là xu hướng hiện nay cho các mạng truy nhập vô tuyến băng rộng hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao. Do vậy việc kết hợp OFDM với truyền dẫn RoF đem lại nhiều chú ý trong nghiên cứu các hạ tầng truyền tải của mạng không dây thế hệ mới. Sự kết hợp này làm hệ thống RoF có thể được sử dụng cho cả truyền dẫn khoảng cách ngắn cũng như dài tại tốc độ cao. Điều này cải thiện độ linh hoạt của hệ thống và cung cấp phạm vi bao phủ rộng cho mạng mà không tăng giá thành và độ phức tạp của hệ thống lên nhiều. Nghiên cứu đánh giá tính năng hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM là nội dung chính của luận văn. Cấu trúc luận văn như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber). Chương 2 nghiên cứu về kỹ thuật OFDM cho hệ thống RoF. Chương 3 mô phỏng hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM, đánh giá các kết quả thu được từ mô phỏng. Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức bản thân, luận văn không thể tránh khỏi các khiếm khuyết. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô, các học viên quan tâm để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Nhân đã hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RADIO OVER FIBER) 1.1 Giới thiệu chung Chương này bao gồm 3 phần, phần đầu tiên trình bày khái quát về các thành phần của truyền dẫn quang như sợi quang, nguồn quang (Laser), kỹ thuật điều biến quang, bộ điều biến, bộ khuếch đại quang, bộ thu quang. Phần thứ hai giới thiệu một cách tổng quan lý thuyết về RoF, đặc điểm của RoF và kiến trúc mạng RoF. Phần thứ ba trình bày những ứng dụng hiện nay của RoF trong các mạng WLAN, mạng di động tế bào, thông tin vệ tinh và các dịch vụ di động băng rộng. 1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn sợi quang 1.2.1 Sợi quang Sợi quang là môi trường điện môi cho thông tin truyền qua từ điểm này tới điểm kia dưới dạng ánh sáng. Với kích thước nhỏ của sợi quang cho phép nhiều sợi quang hơn trong cùng một không gian so với cáp đồng. Sợi quang an toàn trong các môi trường bị ăn mòm, truyền dẫn sợi quang cũng không bị ảnh hưởng do nhiễu cảm ứng điện từ và cũng không gây ra nhiễu. Có hai loại sợi quang là sợi quang có chiết suất bậc và sợi quang có chiết suất biến đổi. Sợi quang chiết suất bậc có sự thay đổi chiết suất đột ngột tiếp giáp mặt vỏ - 1õi, còn sợi quang có chiết suất biến đổi có chiết suất giảm dần bên trong lõi. 1.2.2 Bộ phát quang Vai trò của các bộ phát quang là biển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang. Các nguồn quang được sử dụng là diode phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD). Ở LED, lớp chuyển tiếp p-n phân cực thuận phát ra ánh sáng thông qua sự phát xạ tự phát, hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang điện. ánh sáng được tạo ra khi các cặp điện tử - lỗ trống tái hợp lại với nhau ở vùng nghèo.Laser bán dẫn phát ra ánh sáng chủ yểu bởi phát xạ kích thích. Phát xạ kích thích có công suất phát cao hơn phát xạ tự phát. Độ mở góc của chùm sáng laser đầu ra hẹp hơn so với LED đem đến khả năng ghép nối cao hơn với sợi quang đơn mode. Phố ánh sáng phát ra hẹp cho phép laser hoạt động tại tốc độ cao. Ngoài ra, laser bán dẫn có thể điều chế trực tiếp tại tần số cao do hiện tượng phát xạ kích thích có thời gian tái hợp các cặp điện tử - lỗ trống ngắn. Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang, nguồn quang thường được sử dụng là laser bán dẫn do hiệu suất của chúng cao hơn so với LED. 3 Hình 1.3 - Đặc tính điều chế của Laser Có 2 phương pháp chính để điều biến ánh sáng trong hệ thống quang: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Phương pháp điều biến trực tiếp,các tín hiệu điện đưa vào bộ phát quang thực hiện điều biến trực tiếp thành tín hiệu quang nhờ Laser Diode hoặc LED. Hình 1.3 cho thấy đặc tính điều chế của laser diode với tín hiệu điện dạng tương tự như trong hệ thống RoF. Một vấn đề cần quan tâm trong điều chế trực tiếp đó là méo dạng phi tuyến của quá trình điều chế do đặc tính điều chế, các méo dạng phi tuyến bậc hai và bậc ba có thể gây ra sự suy giảm chất lượng của hệ thống RoF. Trong kỹ thuật điều chế ngoài, một thiết bị riêng biệt được sử dụng để điều chế ánh sáng. Điều chế ngoài trở thành phương pháp vượt trội cho các hệ thống thong tin quang đường dài tốc độ cao. Các bộ điều chế ngoài có thể làm bằng nhiều loại vật liệu và kiến trúc mặc dù các vật liệu điện-quang thông thường hằng số điện môi ảnh hưởng đến hình dạng điện trường. 1.2.3 Bộ khuếch đại Khuếch đại quang chia làm hai loại là khuếch đại toàn quang và bộ lặp quang điện. Khi tín hiệu quang rất yếu không thể truyền đi xa được nữa thì sẽ được các bộ lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu quang để truyền lên đường truyền. Quá trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua quá trình biến đổi về tín hiệu điện được gọi là khuếch đại toàn quang. Tùy thuộc vào vị trí lắp đặt mà có bộ khuếch đại sau: Khuếch đại công suất, khuếch đại thu, khuếch đại đường truyền. Khuếch đại quang dùng nguyên 1ý phát xạ kích thích, giống phương pháp sử dụng trong laser. Có hai dạng khuếch 4 đại quang cơ bản là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại quang sợi trong đó khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Erbium được sử dụng phổ biến. 1.2.4 Bộ thu quang Vai trò của các bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang trở về dạng tín hiệu điện. Thành phần chính trong bộ thu quang là bộ tách sóng quang, nó chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện. Yêu cầu đối với bộ tách sóng quang cũng tương tự như với nguồn quang là: độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành thấp và độ tin cậy cao. Có hai kiểu tách sóng cơ bản đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng kết hợp (coherent). a. Tách sóng trực tiếp Trong các bộ thu quang tách sóng trực tiếp, bộ tách sóng quang chuyển đổi luồng photon đến thành dòng điện. Dòng điện này Sau đó được khuếch đại và cho qua một thiết bị ngưỡng. Một bit sẽ là mức logic 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dòng này trên hoặc dưới giá trị ngưỡng cho trước trong thời gian một bit. Nói cách khác, quyết định dựa trên có ánh sáng hay không trong thời gian một bit. Thiết bị tách sóng cơ bản đối với các mạng quang tách sóng trực tiếp là photodiode (PIN) Và photo diode thác (APD). Trong dạng đơn giản nhất của nó, photodiode là lớp chuyển tiếp p-n định thiên ngược. Qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng tới vùng lớp chuyển tiếp sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống trong cả miền "n" và "p" của photodiode. Các điện tử giải phóng ở miền "p" sẽ vượt qua tới miền "n" và các lỗ trống được tạo ở miền "n" sẽ vượt qua tới miền "p", do đó sinh ra dòng điện. b. Tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD) Hầu hết các kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn coherent trong diode phát quang để tạo ra tín hiệu RF. Các kỹ thuật này được gọi chung là các kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa (RHD). Trong khi sử dụng chuyển đối quang-điện. Diode quang cũng hoạt động như là một bộ trộn, nó đóng vai trò là một phần tử chỉnh trong các hệ thống RoF dựa trên RHD. Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng thời và chúng có quan hệ với nhau tới đầu thu. Khi các trường quang tín hiệu và trường quang của bộ dao động nội được trộn với nhau và qua photodiode chuyển thành tín hiệu RF. Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mô tả trong hình 1.5. Trong kỹ thuật này tần số của bộ dao động nội được lựa chọn và hiệu chỉnh sao cho tín hiệu RF tạo ra tại tần số mong muốn. 5 Hình 1.5 - Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 1.3 Truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang RoF 1.3.1 Tổng quan về RoF Hình 1.6 - Mô tả truyền dẫn RoF. Truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF (Radio over Fiber) là phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. Hay nói cách khác RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát. Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm trung tâm tới các khối anten đầu xa (RAUs), hình 1.6. 1.3.2 Các đặc điểm của RoF a. Ưu điểm  Suy hao thấp  Băng thông rộng  Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến.  Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng. 6  Giảm công suất tiêu thụ.  Phân bổ tài nguyên động. b. Nhược điểm. Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây là một hệ thống truyền dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF. Những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn dải động (DR) của các tuyến RoF. Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại. Đối với méo dạng trong hệ thống RoF, một trong những thành phần méo dạng chính là do méo dạng phi tuyến của quá trình điều chế như đã đề cập trong phần 1.2.2, ngoài ra tán sắc của sợi cũng là yếu tố gây méo dạng giới hạn khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu là thành phần chính và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode là thành phần chủ yếu đóng góp vào sự méo dạng. Để khắc phục các méo dạng này các kỹ thuật bù có thể được áp dụng tại bộ phát để tuyến tính hóa đặc tính điều chế và/hoặc tại bộ thu thông qua các kỹ thuật ước tính kênh và cân bằng. 1.3.3 Kiến trúc mạng RoF Một tuyến quang sử dụng công nghệ RoF bao gồm 3 thành phần chính: Mobile Host (MH): các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là thiết bị đầu cuối. Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. BS không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2 thành phần là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF. Central Station (CS): là các trạm xử lý trung tâm. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở CS. 7 Hình 1.7 - CS-BS-MH trong một tuyến RoF. 1.4 Một số ứng dụng của kỹ thuật RoF a. Mạng tế bào Với số lượng thuê bao di động ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày càng lớn các dịch vụ băng rộng đã gây áp lực đòi hỏi các mạng di động phải tăng thêm dung lượng. Bởi vậy, lưu lượng di động (GSM hay UMTS) có thể được truyền dẫn một cách hiệu quả giữa các CS và BS bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang. Các chức năng RoF khác như phân bổ dung lượng động cũng đem lại những ích lợi hoạt động đáng kể trong các mạng tế bào. b. Thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh là một trong ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa của antenna của các trạm mặt đất. Hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ hơn 1km và hoạt động tại tần số từ 1GHz đến 15GHz. Bằng cách đó, các thiết bị tần số cao có thể được lắp đặt một cách tập trung. Với việc sử dụng của kỹ thuật RoF, các anten sẽ không cần đặt trong vùng điều khiển mà chúng có thể đặt cách xa nhiều km với nhiều mục đích khác nhau. Các thiết bị chuyển mạch cũng có thể được đặt ở những vị trí thích hợp mà không yêu cầu phải ở trong vùng phụ cận của các anten trạm mặt đất. c. Các dịch vụ băng rộng di động. Khái niệm dịch vụ hay hệ thống băng rộng di động (MBS) là nhằm mở rộng những dịch vụ có sẵn trong mạng số tích hợp dịch vụ băng rộng (B-ISDN) cố định tới tất cả người sử dụng di động. Các dịch vụ trong tương lai có thể phát triển trên mạng B-ISDN cũng phải được hỗ trợ trên hệ thống MBS. Nếu công nghệ RoF được sử dụng để tạo ra các sóng mm thì các trạm gốc có thể đơn giản hơn và giảm chi phí, bằng cách đó làm cho sự triển khai trên quy mô lớn các mạng MBS khá thi về mặt kinh tế. 8 d. Mạng cục bộ không dây (WLAN) Khi thiết bị di động và máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ, nhu cầu truy nhập băng rộng di động tới các mạng WLAN cũng tăng lên. Điều này dẫn đến tần số sóng mang phải cao hơn để đáp ứng nhu cầu về dung lượng. Ví dụ các mạng WLAN hiện tại hoạt động tại băng tần ISM tần số 2,4GHz và yêu cầu tốc độ cực đại 11Mbps trên mỗi sóng mang (IEEE 802.11b). Các mạng WLAN băng rộng thế hệ sau cơ bản yêu cầu đến 54Mbps trên mỗi sóng mang và cũng sẽ yêu cầu tần số sóng mang cao hơn tại băng tần 5 GHz (IEEE 802.11a). Các tần số sóng mang cao hơn dẫn đến các tế bào micro, pico và tất cả những khó khăn liên quan đến sự phủ sóng. Cách đầu tư hiệu quả cho vấn đề này là triển khai kỹ thuật RoF. Trước tiên, mạng WLAN băng tần 60GHz thực hiện truyền từ BS (trạm trung tâm), tần số bộ dao động ổn định tại IF cùng với dữ liệu truyền qua sợi quang. Sau đó, tần số bộ dao động được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu lên sóng mm tại bộ chuyển tiếp (RS-trạm đầu xa). Điều này dẫn đến đơn giản hóa đáng kể các bộ chuyển tiếp đầu xa và qua đó đem lại hiệu quả thiết kế các trạm gốc. 1.5 Kết luận chương Chương 1 đã trình bày những vấn đề cơ bản nhất về RoF như: khái niệm, các thành phần trong hệ thống, các ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của nó trong các hệ thống: mạng tế bào, thông tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền thông cho các phương tiện giao thông,… Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM áp dụng cho hệ thống RoF. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM CHO HỆ THỐNG ROF 2.1 Giới thiệu chung Chương này trình bày về kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: các nguyên lý cơ bản, các đặc điểm và ứng dụng của OFDM vào trong hệ thống RoF. 2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con trực giao và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng. Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số. 9 2.3 Các nguyên lý cơ bản trong 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 symbol 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 symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau: 1 T ts T  ts 1, si  t  .sl*  t  dt   0, il il (2.1) Trong đó:  j 2 k ft   , k  1, 2, e sk  t    k kh¸c  0, N (2.2) ∆f=1/T là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số sóng mang con và N.∆f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian 2.3.1 Mô tình toán học của tín hiệu OFDM Tín hiệu OFDM phát trong băng tần cơ sở được xác định như sau: s(t )    sk (t  kT ) (2.3) k  Trong đó sk(t-kT) là tín hiệu OFDM phức phát ở băng gốc thứ k xác định như sau: N 1  2    i   w(t  kT ) xi ,k exp  j 2  (t  kT )  ,    N  TFFT    i   2 sRF ,k  t  kT     kT  Twin  TG  t  kT  TFFT  Twin    0, Trong đó: T là độ dài ký hiệu OFDM TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM (2.4) 10 TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình Twin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang N là độ dài FFT, số điểm FFT k là chỉ số về ký hiệu được truyền i là chỉ số về sóng mang con, i{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1,..., -N/2}. xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu, rỗng) được điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k. w(t) là hàm xung định dạng được biểu diễn như sau: 1  2 1  cos πt  TG  Twin ,  w t   1, 1  1  cos πt  TFFT  Twin , 2  Twin  TG  t  TG  TG  t  TFFT TFFT  t  TFFT  Twin (2.5) Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế RF được xác định như sau: sRF (t )    sRF ,k (t  kT ) (2.7) k  trong đó sRF,k(t-kT) là tín hiệu OFDM RF thứ k được biểu diễn như sau: N /2 1       1  t  kT Re  w  t  kT   xi ,k exp  j 2  f c    ,  T i  N /2    FFT      sRF ,k  t  kT    kT  Twin  TG  t  kT  TFFT  Twin 0,     Trong đó fc là tần số sóng mang RF. (2.8) 11 2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM Hình 2.2 - Sơ đồ truyền dẫn OFDM trong miền RF. Tồn tại hai sơ đồ điều chế trong hệ thống vô tuyến dùng điều chế OFDM: Điều chế OFDM bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, là loại điều chế tín hiệu trong băng tần gốc và điều chế vô tuyến RF để đưa toàn bộ phổ tần của tín hiệu băng tần gốc OFDM lên vùng tần số vô tuyến RF. Ở đây ta sẽ nghiên cứu sơ đồ điều chế OFDM trong miền RF. a. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song và ngược lại Tầng này chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM. Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con. Tại phía thu chuyển ngược về luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu. b. Tầng điều chế sóng mang con Tầng điều chế sóng mang con thực hiện phân bổ các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế (phần 2.4). c. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian IFFT Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số. Phép biến đổi IFFT chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian. Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT). Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0. d. Chèn/ loại bỏ khoảng bảo vệ. 12 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 ký tự, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol Ts của các frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian).  ICI (Inter-Carrier Interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchannels) của cùng một frame FFT (trong miền tấn số). Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ trong kĩ thuật OFDM còn được gọi là chèn tiền tố lặp CP (Cycle Prefix). Tiền tố lặp CP là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh và nhiễu xuyên ký tự đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. e. Tầng điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến RF. Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cách dùng một bộ điều chế IQ. Bộ điều chế IQ sẽ dịch phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên vùng tần số vô tuyến RF, và chuyển từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực). Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực và nó chỉ biến đổi giá trị cường độ trường. 2.3.3 Các thông số đặc trưng của hệ thống truyền dẫn OFDM a. Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.5 - Cấu trúc tín hiệu OFDM. Tsym  TFFT  TG  Twin b. Các thông số trong miền thời gian (2.14) 13 Từ hình 2.5 có thể tách thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu Tsym , thời gian truyền hiệu quả hay thời gian TFFT , thời gian bảo vệ TG , thời gian cửa sổ Twin . Trong mô phỏng chỉ thực hiện đối với TFFT và chu kỳ ký hiệu chiếm đa phần thời gian. Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.14) trở thành: Tsym  TFFT  TG (2.17) FSR tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu được định nghĩa bởi. FSR  TFFT Tsym (2.18) c. Các thông số trong miền tần số Hình 2.6 trình bày sắp xếp OFDM trong miền tần số. B là độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con, độ rộng băng tần sóng mang con f, và số sóng mang con N sub . B  N sub  f (2.19) d. Quan hệ giữa các tham số trong miền thời gian và trong miền tần số Thông số miền thời gian TFFT và thông số miền tần số f có quan hệ với nhau (chúng là tỉ lệ nghịch của nhau). Vì vậy, chỉ cần thiết lập giá trị cho một thông số là đủ để thiết kế hệ thống. 2.4 OFDM mã hóa Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK và BPSK. Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. 2.4.1 Điều chế BPSK Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1". Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:  (t )  Khi đó 2 cos( 2f c t );0  t  Tb Tb S1(t )  Eb (t ) 14 S2 (t )   Eb (t ) (2.22) Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2) : S1 = Eb , S2 = - Eb như hình sau: Hình 2.7 - Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 2.4.2 Điều chế QPSK Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:    E sin[( 2 i  1 ) ]  s   i1 4 si        E cos[(2i  1)   s i 2  4  (i  1,2,3,4) (2.29) Ta thấy một tín hiệu QPSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ. Hình 2.8 - Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E , còn logic '0' thì biến đổi vào E . Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng. 2.4.3 Điều chế QAM Điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc), sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số. Dạng tổng quát của điều chế QAM được xác định như sau: 15 Si (t )  2 E0 ai cos(2f ct )  T 2 E0 bi sin( 2f ct ); (0  t  T ) T (2.30) Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là "điều chế tín hiệu vuông góc".Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở: Φ1(t )   Φ2 (t )  2 bi sin(2πf c.t ) T 0t T 2 ai sin(2πf c.t ) T 0t T (2.31) Hình 2.9 - Chùm tín hiệu M-QAM 2.4.5 Mã Gray Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn. Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM...). Bảng 2.4 – Mã Gray Thập phân 0 1 2 3 4 5 6 7 Mã Gray 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 Thập phân 8 9 10 11 12 13 14 15 Mã Gray 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 16 Hình 2.11 - Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM 2.5 Đặc điểm của OFDM 2.5.1 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấn các sóng mang con. - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. - OFDM loại trừ nhiễu giao thoa liên ký hiệu (ISI) và nhiễu giao thoa liên sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol. - Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh. - Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang. 17 - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM. - Các phương pháp điều chế vi sai giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh. - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang. - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp. 2.5.2 Nhược điểm - Ký hiệu OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. - OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. 2.6 Hệ thống OFDM cho mạng RoF Về cơ bản, việc áp dụng kỹ thuật OFDM vào trong hệ thống RoF cũng tương tự như hệ thống vô tuyến. Quá trình điều chế OFDM được thực hiện trong miền số sau đó sẽ được điều chế lên sóng mang quang theo hai cách cơ bản: có sự hỗ trợ hoặc không có sự hỗ trợ của sóng mang RF. Đối với hệ thống RoF, quá trình điều chế có thể hỗ trợ sóng mang RF thường hay sử dụng như hình 2.12. Cụ thể như sau: Hình 2.12 - Hệ thống RoF sử dụng OFDM 18 Dữ liệu đầu vào là dạng bit nhị phân được đưa qua bộ điều chế số băng gốc (ví dụ như QAM hay PSK), để tạo thành các ký hiệu điều chế số. Đầu ra của bộ điều chế số là các ký hiệu được biểu diễn dưới dạng phức. Các ký hiệu này được đi qua bộ biến đổi nối tiếp/ song song để chia luồng vào tốc độ cao thành các luồng nhỏ với tốc độ thấp hơn. Sau đó, luồng tín hiệu song song được phân bố trên các sóng mang con trước khi được đưa đến bộ IFFT. Tại đây diễn ra hai quá trình: chèn sóng mang con rỗng và biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian. Cũng tại bộ IFFT này, các sóng mang con trực giao được tạo ra. Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi song song/ nối tiếp trong miền thời gian được chèn khoảng bảo vệ CP. Thành phần thực và ảo từ hai ngõ ra của bộ điều chế OFDM sẽ được đưa vào bộ điều chế với sóng mang vô tuyến RF. Sau cùng tín hiệu RF sẽ được đưa vào một đầu của bộ điều chế quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài. Đầu ra của bộ điều chế quang là tín hiệu OFDM đã được điều chế sang miền quang và được phóng vào sợi quang. Tại phía thu, quá trình diễn ra ngược lại. Đầu tiên tín hiệu quang sẽ được giải điều chế quang. Bộ giải điều chế quang thực chất là các bộ thu quang tách sóng trực tiếp hoặc Coherrent. Đối với trường hợp sử dụng kỹ thuật tách sóng heterodyne, tín hiệu OFDM ở phía phát có thể ở dạng băng gốc mà không cần điều chế lên miền RF vì các tín hiệu RF có thể được chuyển đổi trực tiếp tại bộ thu quang thông qua kỹ thuật này. Tín hiệu điện thu được sau bộ giải điều chế quang sẽ được khuếch đại và đưa qua bộ giải điều chế vô tuyến để đưa tín hiệu về băng tần cơ sở. Tín hiệu băng tần cơ sở sẽ được giải điều chế OFDM. Quá trình giải điều chế OFDM được thực hiện ngược lại so với phía phát. Cuối cùng tín hiệu sẽ được đưa qua bộ giải điều chế số để thu lại dạng bit ban đầu. 2.7 Kết luận Chương 2 đã trình bày chi tiết về nguyên lý cơ bản OFDM, cơ sở toán học và sơ đồ OFDM, chức năng của các khối trong sơ đồ. Phần cuối chương là tổng quan về nguyên lý áp dụng OFDM trong RoF. Ta thấy về cơ bản, nguyên lý của kỹ thuật OFDM sử dụng trong hệ thống vô tuyến cũng giống kỹ thuật OFDM sử dụng trong hệ thống thông tin quang. Trong chương tiếp theo, ta sẽ đưa ra mô hình hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật OFDM và mô phỏng mô hình bằng công cụ MATLAB - Simulink.
- Xem thêm -