Đồ án Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

h họa trên hình 2.3, còn các bộ tương quan được lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu. Mạch vòng khóa pha (PLL) trên hình 2.3 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịch pha ψ1(t) và ψ2(t) như đã chỉ ra trong (2.4). Đồng hồ trên hình 2.3 được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho các lối ra của các bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy mẫu chính xác. Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương quan là: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 11 rC = A mc + nccosΦ – nssinΦ rS = A mc + ncsinΦ – nscosΦ (2.5) Trong đó: Các thành phần ồn là các biến ngẫu nhiên Gausse không tương quan, trung bình 0 và varian N0 /2. Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách Trong đó r= (rc, rs) Hình 2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 12 2.4. Đặc điểm của tín hiệu QAM Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK. Ngoài ra nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này. Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền. Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng. Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thông tin. Số lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bit. Đối với những hệ thống dùng hơn 4 bit để truyền thông tin thì người ta thường dùng điều chế QAM thay cho điều chế PSK vì xác suất lỗi thấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn. 2.5. Xác suất xác định sai tín hiệu QAM Tín hiệu QAM có thể được biểu diễn như sau: um(t) = A mcgT (t) cos2πƒct + A msgT (t) sin2πƒct 0 ≤ t ≤ T (2.8) Với A mc và A ms là biên độ của các thành phần vuông góc và g(t) là tín hiệu xung. Để xác định xác suát xác định sai tín hiệu QAM, ta phải xác định các điểm tín hiệu. Ta bắt đầu với tín hiệu QAM có M=4 điểm. Hình 2.4 mô tả hai tập hợp của bốn điểm tín hiệu. Tập hợp thứ nhất là tín hiệu điều chế pha bốn mức và tập hợp thứ hai là tín hiệu QAM hai mức biên độ, ký hiệu là A1 và A2 với bốn giá trị pha. Do xác suất xác định lỗi gắn với khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu và ta có d(e)min = 2A với cả hai loại tín hiệu. Công suất trung bình của tín hiệu phát đi (trên cơ sở tất cả các tín hiệu là đồng xác suất) với tín hiệu bốn mức là: PAV = ¼ 4.2.A 2 = 2A 2 (2.9) Với tín hiệu có hai mức biên độ, bốn mức pha, các điểm tín hiệu nằm trên hai đường tròn bán kính A, 3 A và d(e)min =2A, ta có: PAV =1/4 [2.3A 2 +2A 2 ] =2A 2 (2.10) Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 13 Như vậy với các ứng dụng trong thực tế, tỷ lệ sai số của hai tín hiệu này là như nhau. Nói cách khác, không có sự khác biệt giữa hai loại tín hiệu này khi sử dụng trong thực tế. Hình 2.4 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu Xét trường hợp QAM với M=8. Có nhiều tập hợp các tín hiệu, và ta xét bốn tập hợp các tín hiệu như hình 2.5, tất cả các loại tín hiệu đều có hai mức biên độ và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu là 2A. Các giá trị (Amc, Ams ) được chuẩn hóa bởi A. Giả sử các tín hiệu nhiều xác suất, công suất trung bình của tín hiệu truyền đi là: Với (amc, amc ) là tọa độ các điểm tín hiệu đã được chuẩn hóa bởi A. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 14 Hình 2.5 Bốn tập hợp tín hiệu QAM tám điểm (M=8) Hai tập hợp tín hiệu (a) và (c) có các điểm tín hiệu trong một hình chữ nhật và Pav = 6A 2 . Tín hiệu trong hình (b) có công suất trung bình Pav = 6,83A2 và hình (d) là 4,73A 2. Như vậy tín hiệu (d) yêu cầu công suất thấp hơn 1dB so với tín hiệu thứ nhất và 1,6dB so với tín hiệu thứ hai với cùng một xác suất lỗi. Loại tín hiệu này là loại tín hiệu QAM với M=8 tốt nhất do yêu cầu về công suất nhỏ nhất với khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu đã cho. Với M ≥ 16, có nhiều khả năng lựa chọn tín hiệu QAM trong không gian hai chiều. Ví dụ, ta có thể chọn tín hiệu nhiều mức biên độ. Loại tín hiệu QAM với M=16 này là mở rộng của tín hiệu QAM với M=8 tối ưu. Tuy nhiên tín hiệu loại này không phải là tốt nhất trong kênh AWGN do tín hiệu càng có nhiều mức biên độ thì mức ảnh hưởng của nhiễu cộng lên các mức tín hiệu này ngày càng lớn. Tuy nhiên, với nhiều mức biên độ thì số pha trên mỗi mức biên độ sẽ giảm và với cách bố trí trí hợp lý thì dạng tín hiệu này tối ưu trong các kênh truyền có ảnh hưởng xoay pha lên tín hiệu. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 15 2.6. Thiết kế 16-QAM 4R Trong các hệ thống hiện nay bộ điều chế 16QAM thường được sử dụng là dạng 16 QAM chữ nhật do nó có ưu điểm là dễ dàng tạo ra từ hai tín hiệu PAM điều chế vào các tín hiệu pha vuông góc. Tuy nhiên, đề tài này tập trung nghiên cứu để thiết kế một bộ điều chế và giải điều chế 16 QAM với cách phân bố điểm sao mới nhằm giải quyết vấn đề xoay pha tín hiệu do ảnh hưởng của kênh truyền. Bộ điều chế 16QAM 4R là cách thiết kế tín hiệu có 4 mức biên độ và tại mỗi mức biên độ có 4 pha khác nhau. Hình 2.6 biểu diễn cách bố trí điểm sao trên giản đồ của 16 – QAM 4R và 16 - QAM Rectangular. Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R. Vấn đề đặt ra khi thiết kế bán kính của các vòng tròn là sao cho khoảng cách giữa 2 điểm trên giản đồ chòm sao là nhỏ nhất. Sau đó ta phải phân bố các điểm vào giản đồ theo mã Gray sao cho số bit giống nhau giữa 2 điểm lân cận là nhỏ nhất.  Tính toán bán kính các vòng tròn: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 16 Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao Gọi : Bán kính vòng tròn 1 là r1. Bán kính vòng tròn 2 là r2 Bán kính vòng tròn 3 là r3 Bán kính vòng tròn 4 là r4. Khoảng cách giữa 2 điểm sao trong vòng tròn r1 là d1. Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 3 là d2. Khoảng cách giữa vòng tròn 2 và vòng tròn 4 là d3. Khoảng cách giữa vòng tròn 1 và vòng tròn 2 là d4. Bằng cách sử dụng hàm phân bố xác suất Gauss, người ta đã chứng minh được rằng tỷ lệ lỗi bit (BER sẽ thấp nhất khi d1 = d2 = d3=d4 = d min Sau khi khảo nghiệm ta có: R1 = 0,4; R2= 0,7728; R3=0,9657; R4= 1,3375; D min= 0,5657. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 17  Chuyển đổi từ mã bit sang mã Gray: Mã Bit Mã Gray 0000 0000 0001 0001 0010 0011 0011 0010 0100 0110 0101 0111 0110 0101 0111 0100 1000 1100 1001 1101 1010 1111 1011 1110 1100 1010 1101 1011 1110 1001 1111 1000 Dựa vào bảng trên ta có thể phân bố các điểm sao lên giản đồ hình 2.8: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 18 Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R Từ kết quả trên ta có các mức tín hiệu đưa vào khối điều chế và giải điều chế: [0.4 + 0i 0 + 0.4i -0 - 0.4i -0.4 + 0i 0.5456 - 0.5456i -0.5456 - 0.5456i 0.5456 + 0.5456i -0.5456 + 0.5456i 0.9465 - 0.9465i -0.9465 - 0.9465i 0.9465 + 0.9465i -0.9465 + 0.9465i 0.9657 + 0i 0 + 0.9657i 0 - 0.9657i - 0.9657 + 0i] Input Output 0000 0.4+0i 0001 0+0.4i 0010 -0-0.4i 0011 -0.4+0i Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 19 0100 0.5456 - 0.5456i 0101 -0.5456 -0.5456i 0110 0.5456 +0.5456i 0111 -0.5456 +0.5456i 1000 0.9465 – 0.9465i 1001 -0.9465 – 0.9465i 1010 0.9465 + 0.9465i 1011 -0.9465 + 0.9465i 1100 0.9657 +0i 1101 0 + 0.9657i 1110 0 – 0.9657i 1111 -0.9657 +0i Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 20 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CO-OFDM Chương này trình bày mô hình hệ thống Coherrent OFDM trên kênh truyền quang (CO-OFDM). Qua đó phân tích các thành phần và kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống trên như kỹ thuật OFDM, các thiết bị phần thu và phát, sợi quang và các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống trong thông tin quang. 3.1. Giới thiệu hệ thống CO- OFDM Trong những năm gần đây thì kỹ thuật OFDM được sử dụng ngày càng rộng rãi và được ứng dụng trong nhiều hệ thống thế hệ mới. Một trong những hệ thống ứng dụng kỹ thuật OFDM vào để tận dụng những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật OFDM nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn là hệ thống thông tin quang. Với việc sử dụng kỹ thuật OFDM để điều chế tín hiệu ở miền điện và kỹ thuật tách sóng kết hợp (CO- Coherrent Detector) hệ thống CO- OFDM đã có thể truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cách lớn. CO-OFDM là hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền trên sợi quang. Mô hình hệ thống CO-OFDM gồm có 5 khối cơ bản như trong Hình 3.1 [5] tr.264. Khối đầu tiên là khối RF OFDM transmiter, có nhiệm vụ điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện. Khối thứ hai là khối RF-to- optical up-converter, là khối điều chế tín hiệu quang hay nói cách khác, đây chính là khối chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang với thành phần chính của khối này là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (MZM). Tiếp theo là kênh truyền sợi quang, có chức năng truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu. Khi tín hiệu truyền trên sợi quang, tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sợi quang như tán sắc, suy hao, các hiệu ứng phi tuyến… Khối thứ tư là khối optical-to-RF down converter với nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang nhận được trở lại thành tín hiệu điện. Và cuối cùng là khối RF OFDM receiver, nhằm giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện thành dữ liệu tương ứng với bên truyền. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 21 Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM 3.2. Kỹ thuật OFDM 3.2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. Trong OFDM, dữ liệu trong mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng phổ này giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 22 Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 3.2.2. Tính trực giao OFDM Ý tưởng kỹ thuật OFDM là truyền đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Tốc độ của hệ thống được chia ra thành nhiều nhiều luồng dữ liệu có tốc độ thấp do đó giảm ảnh hưởng của fading đã đường, làm cho mỗi băng con được xem như một kênh fading phẳng. Ngoài ra việc các băng tần có thể chồng lấn lên nhau trân cùng một băng tần được cấp phát làm cho hiệu suất sử dụng phổ tần nâng cao. Định nghĩa: Xét một tập hợp các sóng mang con fn(t),n =0,1,…N-1 t1<t<t2. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi[5]: Tập các sóng mang con được truyền có thể viết là: Xét biểu thức (3.1) ta có: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 23 Từ (3.3) ta thấy, nếu như các sóng mang con liên tiếp cách nhau một khoảng bằng 1/T thì chúng sẽ trực giao với nhau trong chu kỳ symbol T.  Trực giao miền tần số: Theo hình 3.3 ta thấy, phổ của các sóng mang con có dạng sin chồng lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ. Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ đạt cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng tầng Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số 3.2.3. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Hình 3.4 trình bày sơ đồ khối thu phát ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM cơ bản. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 24 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM  Bộ chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial - Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit, k≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang. k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. - Phía thu sẽ dùng bộ chuyển đổi song song-nối tiếp Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.  Bộ IFFT và FFT OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ [6].  Chèn và loại bỏ dải bảo vệ - Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 25 Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng các sóng mang trực giao [2]. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức là độ rộng của một symbol có ích ts sẽ lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu. Bộ Guard interval Insertion (Hình 3.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol có ích ts mà vẫn giữa nguyên số sóng mang. Bộ Guard Interval Insertion sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ gồm q mẫu vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol tổng cộng sẽ là: TS = TG + tcp (3.4) Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM 3.2.4. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM  Ưu điểm: - OFDM sử dụng dãy tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Ngoài ra, việc sử dụng những sóng mang con trực giao này còn giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên sóng mang ICI. - Việc chèn thêm 1 khoảng bảo vệ giúp thời gian của 1 symbol lớn hơn trễ trãi lớn nhất của kênh truyền đa đường đã loại bỏ được hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI. - Kỹ thuật OFDM thích hợp cho các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao do chia băng thông tổng cộng thành nhiều băng thông nhỏ cho từng sóng mang con nên kênh truyền được xem như phẳng và không bị chọn lọc tần số. Dải bảo vệ ( CP) Phần hữu ích của tín hiệu Tcp T Tg = N/W Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 26 - Hệ thống sử dụng bộ FFT và IFFT giúp giảm bộ giao động cũng như số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí thực hiện.  Nhược điểm: - Nhược điểm chính của kỹ thuật OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn (PAPR) [7]. Điều này gây khó khăn cho tính tuyến tính của mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC. - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu ISI nhưng lại giảm đi hiệu suất băng thông. - Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.[25] 3.3. Bộ phát quang Bộ phát quang có vai trò nhận tín hiệu điện được đưa đến, chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu quang. Hay nói cách khác, bộ phát quang có chức năng chuyển tín hiệu từ miền điện sang miền quang, và đưa tín hiệu quang này lên kênh truyền quang (cáp sợi quang). Sơ đồ bộ phát quang trong hệ thống quang coherrent được mô tả như hình 3.6 Hình 3.6 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZN Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 27 3.3.1. Nguồn phát quang Loại nguồn quang được sử dụng trong bộ phát quang là các loại nguồn quang bán dẫn. Để có thể được sử dụng trong thông tin quang, các chất bán dẫn cần phải có dải cấm năng lượng trực tiếp [4] và độ rộng của dải cấm năng lượng phù hợp sao cho có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng bước sóng hoạt động của thông tin quang. Các yêu cầu đối với một nguồn quang là:  Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang để có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang với hiệu suất cao.  Thu nhận tín hiệu điện ngõ vào một cách chính xác để giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu. Lý tưởng, nguồn quang phải tuyến tính.  Độ rộng phổ hẹp để giảm tán sắc trong sợi quang.  Phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc thấp, đồng thời linh kiện thu quang hoạt động hiệu quả tại các bước sóng này. Ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải chỉ tồn tại ở một bước sóng nhất định mà tại một khoảng bước sóng. Đây chính là nguyên nhân của hiện tượng tán sắc sắc thể (CD - Chromatic Dispersion), làm giới hạn cự ly truyền. Do vậy, độ rộng phổ do nguồn quang phát ra càng hẹp càng tốt. Thông thường Diot phát quang LED sẽ có độ rộng phổ khoảng 50-60 nm, lớn hơn Lazer (2-4 nm) rất nhiều nhưng giá lại rẻ hơn. Trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn thì Lazer là lựa chọn tối ưu. Nguồn quang được sử dụng trong mô phỏng của đề tài là Lazer, cụ thể hơn là loại Lazer hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Lasers). Lazer hồi tiếp phân bố DFB[4] Lazer DFB được ứng dụng và phát triển trong những năm 1980 [4]. Về cơ bản, nguyên lý hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng: (1) Hiện tượng phát xạ kích thích nhằm tạo ra sự khuếch đại ánh sáng trong Laser. Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo ra một photon thứ hai. Hai photon này tiếp tục quá trình phát xạ kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân (Hình 3.7 (c)). Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng tần số, cùng pha, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy, ánh sáng kết hợp được khuếch đại. (2) Hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong laser tạo ra sự Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 28 chọn lọc tần số (hay bước sóng) ánh sáng. Theo đó, chỉ những sóng ánh sáng có tần số (hay bước sóng) thỏa điều kiện về pha của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được [4] tr.78. Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng (a) Hấp thụ (b)phát xạ tự phát (c) phát xạ kích thích Cấu trúc của laser DFB được biểu diễn trên Hình 3.8 Quá trình cộng hưởng và chọn lọc tần số xảy ra trong laser DFB được thực hiện nhờ cấu trúc cách tử Bragg đặt ở bên cạnh, dọc theo vùng tích cực của laser. Sóng ánh sáng phát xạ trong laser lan truyền dọc theo vùng tích cực và phản xạ tại mỗi đoạn dốc của cách tử Điều kiện để sự phản xạ và cộng hưởng có thể xảy ra là bước sóng ánh sáng phải thỏa điều kiện Bragg [4] tr.100: Trong đó: m là bậc nhiễu xạ, Λ là chu kỳ của cách tử Bragg, n av là chiết suất trung bình của cách tử. Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra trong vùng tích cực phản xạ nhiều lần tại cách tử. Tại mỗi đoạn dốc của cách tử, một phần năng lượng ánh sáng bị phản xạ. Tổng hợp năng lượng ánh sáng phản xạ tại mỗi đoạn cách tử này trong laser làm cho phần lớn ánh sáng trong laser được phản xạ có bước sóng thỏa điều kiện Bragg. Kết quả là, laser DFB chỉ phát xạ ra ánh sáng có bước sóng λB thỏa điều kiện Bragg. Vì vậy, DFB laser chỉ phát ra một mode sóng có độ rộng phổ rất hẹp. Với đặc điểm như vậy, laser DFB đã và đang được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang có cự ly truyền dẫn dài và tốc độ bit truyền cao. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 29 Hình 3.8 Cấu trúc của Lazer DFB 3.3.2. Bộ điều chế quang Bộ điều chế quang nhằm đưa thông tin cần truyền lên sóng mang quang. Có hai kiểu điều chế quang thường được sử dụng đó là điều chế trực tiếp DM (Direc Modulator) và sử dụng bộ điều chế ngoài (external modulator) [11]. Mỗi dạng điều chế đều có ưu và nhược điểm riêng. Đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ vừa phải (dưới 10 Gb/s) thì kiểu điều chế trực tiếp được sử dụng. Trong kiểu điều chế này, tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào để phân cực cho Lazer. Ở tốc độ cao (trên 10 Gb/s) kiểu điều chế này sẽ gây nên hiện tượng dịch tần số (frequency chirp) [11]. Để khắc phục nhược điểm này của dạng điều chế trực tiếp thì người ta dùng bộ điều chế ngoài thay vì dùng bộ điều chế trực tiếp đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao. Đề tài sẽ đi vào phân tích, mô phỏng bộ điều chế ngoài, cụ thể là bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (Mach-Zehnder modulator). Cấu trúc bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder MZM Cấu trúc chung nhất của bộ MZM được mô tả như hình 3.9 [11]. Bộ điều chế giao thoa MZM bao gồm một bộ chia tại ngõ vào, hai nhánh dẫn sóng ánh sáng, và một bộ ghép tại ngõ ra. Hoạt động của bộ MZM dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng và hiện tượng thay đổi chiết suất của vật liệu (LiNbO3) theo cường độ dòng phân cực hay nói cách khác là tuân theo hiệu ứng Pockels. Một cách vắn tắt, độ lệch pha của một sóng truyền qua tỉ lệ thuận với điện thế áp dụng và được cho bởi công thức [11]: Trong đó: V là điện thế phân cực cho MZM. V ∏ là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng bị dịch 1800. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 30 Như vậy, pha của sóng mang quang sẽ bị dịch đi một góc tùy thuộc vào điện thế phân cực áp vào các điện cực. Ngõ ra của bộ MZM là kết quả giao thoa của hai nhánh. MZM được ứng dụng phổ biến trong điều chế pha và điều chế biên độ. Có hai cách phân cực cho bộ MZM đó là phân cực đơn (single drive) và phân cực đôi (dual drive). Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator Hình 3.10 mô tả bộ MZM phân cực đơn. Trong kiểu phân cực này, chỉ có một nhánhMZM được phân cực. Ngõ ra của MZM là sự kết hợp của hai nhánh, ta có [11]: Trong đó: E in là cường độ ánh sáng ngõ vào, Eout là cường độ ánh sáng ngõ ra, V∏ là điện thế phân cực để pha nhánh đó dịch ᴨ, Vin là điện thế phân cực cho MZM. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 31 Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn Ta thấy, khi Vin =0 → E out =E in, khi V in = V∏ → E out =0. Như vậy, tùy theo điện thế phân cực mà cường độ quang ngõ ra của MZM biến thiên từ 0 đến Ein (hay từ trạng thái ON đến OFF) Hình 3.11 mô tả bộ MZM phân cực đôi[11]. Trong cách phân cực này, cả hai nhánh của MZM đều được phân cực với điện thế đối xứng (V1(t) = V 2(t)). Hình 3.11 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi Ngõ ra của bộ MZM phân cực đôi cũng là sự kết hợp của hai nhánh như trường hợp phân cực đơn. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 32 Có thể dùng bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang theo các dạng như OOK, BPSK, QPSK [11]… 3.4. Bộ thu quang Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trước hết sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. Bộ chuyển đổi quang điện thực hiện chức năng này. Trong đề tài, ta sử dụng kỹ thuật tách sóng coherrent đối với bộ thu quang. Tức tín hiệu quang tới trước hết được trộn với sóng quang phát ra từ bộ dao động nội, rồi sau đó tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này được chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector. Cấu trúc bộ thu quang coherrent được mô tả rõ hơn trong hình 3.12 [5]. Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp được mô tả như sau [5]: (1) Một Lazer LD2 phát ra ánh sáng với tần số giao động nội.