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

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

HÀ NỘI - 2018


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN


quá trình học tập cũng như trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân yêu đã động viên, giúp đỡ học viên trong suốt
quá trình học tập cũng như làm đề tài.
Học viên thực hiện

Trần Trọng Tùng Anh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT ................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................x
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG QUANG .4
1.1. Mở đầu .............................................................................................................4
1.2. Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM .................................................4
1.3. Đơn sóng mang và đa sóng mang ....................................................................5
1.3.1. Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier) .................................................5
1.3.2. Đa sóng mang (Multi - Carrier) ................................................................6
1.4. Nguyên lý hoạt động của OFDM .....................................................................7
1.5. Phương pháp điều chế OFDM .........................................................................9
1.5.1. Điều chế đơn sóng mang ...........................................................................9
1.5.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang ........................................................9
1.5.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ..........................10
1.6. Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD)..............................................15

3.4.1 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh .......................................55
3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 4 kênh WDM ................................57


v

3.4 Kết luận chương 3 ...........................................................................................61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................63


vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
A/D

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Analog/Digital

Tương tự/ số

BD

Balance Detector


Số/tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số

DEMUX Demultiplexer

Bộ giải ghép kênh

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số


Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

ICI

Interchancel Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Invert Discrete Fourier
Transform
Invert Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT

Biến đổi Fourier nhanh ngược


vii

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Standard Single-mode fiber

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Sợi quang đơn mode chuẩn

VEA

Variable Electrical Attenuator

Bộ suy hao điện biến đổi

VOA

Variable Optical Attenuator

Bộ suy hao quang biến đổi

WDM

Wavelength Division
Mutilplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng


viii



ix

Hình 2.12. Độ chirp tần cho các xung Gauss (nét đứt) và siêu Gauss (nét liền) ......37
Hình 2.13. Hiệu ứng FWM với các mức khoảng cách khác nhau theo khoảng cách
kênh. ..........................................................................................................................39
Hình 2.14: Biểu diễn sự trộn của 3 sóng ...................................................................40
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 ..........................43
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. ...............................................................................46
Hình 3.3: Sơ đồ mô hình khảo sát hệ thống WDM-PON .........................................50
Hình 3.4: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp sử dụng một kênh truyền tín hiệu ...52
Hình 3.5: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp với hệ thống 4 kênh WDM PON ....53
Hình 3.6: Sơ đồ khối một kênh phát (Signal 1) ........................................................54
Hình 3.7: Sơ đồ khối của một kênh thu trực tiếp (Receiver 1) .................................55
Hình 3.8: Phổ tín hiệu a) OFDM và b) tín hiệu quang sau bộ lọc Gauss ................56
Hình 3.9: Biên độ vector lỗi (EVM) trong hệ thống OFDM đơn kênh ....................56
Hình 3.10: Phổ tín hiệu a) sau khi đi qua bộ ghép kênh WDM và b) qua bộ tách WDM
và lọc tần 193.1 Thz ..................................................................................................58
Hình 3.11: EVM của 2 kênh 193.05 THz (xanh) và 193.1 Thz (đỏ) trong hệ thống
WDM OFDM ............................................................................................................58
Hình 3.12: So sánh EVM của kênh 2 (193.1 Thz) ....................................................59
Hình 3.13: EVM của kênh 2 (193.1 Thz) với độ dài sợi quang thay đổi ..................60


x


biến trường và tách sóng coherent.
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.


2

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 hiêu năng hệ thống, tôi xin chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của phi tuyến sợi quang lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp”
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:
Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất
phát triển. Đã có rất nhiều đề tài được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả cũng như đề ra
các giải pháp để cải thiện hiệu năng hệ thống OFDM quang. Đặc biệt, một số đề tài
đã nêu lên các phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM quang thu trực tiếp
(OFDM IM/DD) cũng như tập trung vào so sánh, tối ưu công suất tiêu thụ và giá
thành hệ thống.
Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang thu
trực tiếp là một vấn đề đáng được quan tâm, 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).
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong sợi quang,
từ đó đánh giá ảnh hưởng lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp với các mục tiêu
cụ thể sau:
- Nghiên cứu tổng quan hệ thống OFDM quang thu trực tiếp.
- Phân tích các ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong môi trường truyền dẫn

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.
Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất
phát triển. Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang
thu trực tiếp là một vấn đề đang được quan tâm. 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. Đặc biệt là các công trình của
Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể
thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi
DFT. Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật
điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có


5

thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT

truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử
dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
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.

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.

Hình 1.2. Truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ
thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa
lỗi tiến FEC. Bên máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường
và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có
khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang,
trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông
tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các
ký tự, … Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một
bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá
lớn, để giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được


7

dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế.


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


9

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 sóng mang và đa sóng mang. Từ đó có thể nhận thấy
được những ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM.

trong đó phổ của tín hiệu của hệ thống chia làm Nc=2L+1 kênh song song. Vì vậy, độ
dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang là: Ts  1/ Fs  Ts .N c PT 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.
Ưu điểm:
Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI giảm.
Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm
nhiều phần.
Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm
Hạn chế:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time
selectivity). Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên. Dẫn
đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong 1 mẫu tín hiệu.

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.


11

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

nhất có thể truyền được là ¼ thông tin là 1/2Hz. Nhưng chúng ta chọn 1Hz cho thuận
lợi. Nếu chúng ta chọn tần số bắt đàu là ½ thì tiếp theo sẽ là 1,3/2 và 2.
Sóng mang 1- chúng ta cần truyền 1,1,1,-1,-1,-1. Chúng sẽ được đặt lên tần số
sóng mang là 1Hz. Bít đầu là 1 và các bít sau là -1.

Hình 1.8. Sóng mang 1 và những bit đã được điều biến

Sóng mang 2- tần số tiếp theo là 2Hz. Nó sẽ trực giao với tần số của sóng mang
1Hz. Bây giờ ta sẽ sủ dụng bit ở cột 2 1,1,-1,1,1,-1 và điều biến chúng theo hình tiếp
theo.

Hình 1.9. Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế

Tương tự sóng mang 3 và sóng mang 4 ta có


13

Hình 1.10. Sóng mang 3, 4 và những bit đã được điều chế

Sóng mang phụ 3 và sóng mang phụ 4 và những bit đã được điều chế bây giờ
chúng ta sẽ điều biến tất cả các bit sử dụng 4 tần số sóng mang từ 1Hz đến 4HZ.

Hình 1.11: Các sóng mang được tổng hợp trong miền tần số

 Khối điều chế tín hiệu OFDM

Hình 1.12. Khối điều chế tín hiệu OFDM

Tín hiệu được chia nhỏ thành các luồng dữ liệu song song qua bộ biến đổi