Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ii
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn quý thầy cô khoa Điện Tử - Viễn
Thông – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã dạy dỗ và cung cấp đầy đủ các
kiến thức cần thiết để chúng em tự tin bước vào đời. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến thầy GS TS Lê Nguyên Bình, người định hướng nội dung và cung cấp cho em
những kiến thức cần thiết để hoàn thành đề tài. Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến
thầy ThS. Đặng Lê Khoa, người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá
trình xây dựng hệ thống mô phỏng trong đề tài.
Con xin cám ơn cha mẹ, người đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con trong
quá trình học tập cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cám ơn tất cả bạn bè, những người đã luôn bên cạnh cổ
vũ, động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất
mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của Quý Thầy Cô và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 6 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Vũ Linh
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iii
MỤC LỤC
Trang
3.4.1. Photo- detector ................................................................................... 33
3.4.2. Bộ giải điều chế .................................................................................. 35
3.5. Kênh truyền quang.................................................................................. 35
3.5.1. Giới thiệu sợi quang ........................................................................... 35
3.5.2. Suy hao sợi quang .............................................................................. 37
3.5.3. Tán sắc trong sợi quang đơn mode ..................................................... 38
3.5.4. Các hiệu ứng phi tuyến ....................................................................... 40
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang v
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ..................................................... 41
4.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG CO-OFDM ....................................................... 42
4.1.1. Bộ phát ............................................................................................... 42
4.1.2. Mô phỏng kênh truyền sợi quang ........................................................ 47
4.1.3. Bộ thu quang coherrent....................................................................... 49
4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 52
4.2.1. Hệ thống CO-OFDM sử dụng phương pháp điều chế 16QAM 4R tốc độ
100Gb/s .............................................................................................. 52
4.2.2. Khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống theo công suất đầu vào ở tốc độ
100Gb/s sử dụng bộ điều chế 16QAM ................................................ 54
4.2.3. Kết quả khảo sát tỷ lệ lỗi BER của hệ thống ở tốc độ 100Gb/s theo
khoảng cách truyền dẫn ...................................................................... 55
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ 57
5.1. Kết luận .................................................................................................. 57
5.2. Hướng phát triển ..................................................................................... 57
GVD Group Velocity Dispersion
I Inphase
ICI Inter-Carrier Interference
IM Intensity Modulator
ISI Inter-Symbol Interference
LAZER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED Light Emitting Diode
MCM Multi-carrier Modulator
MZM Mach-Zehnder Modulator
NLSE Non Linear Schrödinger Equation
OFA Optical Fiber Amplifier
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P/S Parallel to Serial converter
PAPR Peak-to-Average Power Ratio
PMD Polarization Mode Dispersion
PSK Phase-Shift Keying
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang viii
Q Quadrature
QAM Quadrature Amplitude Modulation
R Responsivity
RCP Remove Cyclic Prefix
RF Radio Frequency
Rx Receiver
S Sensitivity
S/P Serial to Parallel converter
SBS Stimulated Brillouin Scattering
SCM Single-Carrier Modulator
SI Step-Index Fibers
SNR Signal to Noise Ratio
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang x
Hình 3.9 Cấu trúc bộ Mach – Zehnder modulator .................................................. 30
Hình 3.10 Cấu trúc MZM phân cực đơn ................................................................ 31
Hình 3.11 Cấu trúc bộ MZM phân cực đôi ............................................................ 31
Hình 3.12 Mô hình bộ thu quang kết hợp............................................................... 32
Hình 3.13 Tách sóng Coherrent Homodyne ........................................................... 34
Hình 3.14 Cấu trúc sợi quang ................................................................................ 36
Hình 3.15 Các loại sợi quang phân loại theo chiết suất của lõi ............................... 36
Hình 3.16 Sự phụ thuộc của suy hao vào bước sóng quang. ................................... 38
Hình 3.17 Tán sắc trong sợi quang ........................................................................ 38
Hình 3.18 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bước sóng. .......................................... 40
Hình 3.19 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến ........................................................... 41
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống CO-OFDM................................................. 42
Hình 4.2: Mô hình bộ phát quang .......................................................................... 43
Hình 4.3: Khối điều chế tín hiệu OFDM ................................................................ 43
Hình 4.4 Khối tạo tín hiệu ngẫu nhiên Bernoulli .................................................... 44
Hình 4.5 Khối điều chế 16QAM 4R ...................................................................... 44
Hình 4.6 Khối thêm khoảng bảo vệ CP .................................................................. 45
Hình 4.7 Cấu trúc bộ điều chế quang Mach – Zehnder Modulator MZM ............... 46
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang xi
Hình 4.8 Bộ điều chế pha – phase modulator ......................................................... 46
Hình 4.9 Bộ dịch pha – phase shift block ............................................................... 46
Hình 4.10 Mô hình truyền dẫn sợi quang ............................................................... 47
Hình 4.11 Mô hình hóa tác động sợi SMF bằng Matlab Simulink .......................... 48
Hình 4.13 Mô hình bộ khuếch đại EDFA............................................................... 48
Hình 4.14 Mô hình bộ thu – Receiver coherrent RX .............................................. 49
Hình 4.15 Bộ chuyển đổi quang điện – optical coherrent receiver.......................... 50
Hình 4.16 Bộ nhận cân bằng – Balanced Receiver ................................................. 50
truyền dẫn của hệ thống.
Nội dung chính của đề tài bao gồm 5 chương và được tóm tắt như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử và những điểm nổi bật của hệ thống
thông tin quang và kỹ thuật OFDM. Bên cạnh đó, trong chương này của đề tài
cũng nêu lên ý tưởng chính của đề tài.
Chương 2 trình bày các vấn đề về lý thuyết cơ bản phương pháp điều chế QAM
cũng như việc thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM.
Chương 3 trình bày chi tiết về các kỹ thuật và nguyên lý được sử dụng trong hệ
thống CO-OFDM. Ngoài ra, trong chương này còn phân tích các hiệu ứng ảnh
hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang.
Chương 4 trình bày phần mô phỏng và kết quả của việc ứng dụng bộ điều chế
và giải điều chế 16QAM và hệ thống CO-OFDM. Ngoài ra, trong chương này
còn trình bày một số kết quả khảo sát việc sử dụng các bộ điều chế khác nhau
vào hệ thống trên.
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 2
Chương 5 là phần kết luận của đề tài. Trên cơ sở các kết quả đạt được, đề tài
đưa ra các hướng có thể tiếp tục nghiên cứu.
điện báo quang (optical telegraph). Hệ thống gồm một chuỗi các tháp với
các đèn báo hiệu trên đó. Thời gian đó tin tức được truyền với tín hiệu này
vượt chặng đường 200 Km trong vòng 15 phút.
- Năm 1854: John Tydall, nhà vật lý tự nhiên người Anh đã thực hiện thành
công một thí nghiệm đáng chú ý nhất là ánh sáng có thể truyền qua một môi
trường điện môi trong suốt.
- Năm 1870: Cũng John Tydall đã chứng minh được rằng ánh sáng có thể dẫn
được theo một vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần.
- Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ
thống truyền thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone. Ông ta đã sử
dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 4
mang tiếng nói đi. Ở đầu thu, ánh sáng mặt trời đã được điều chế bằng cách
đập vào tế bào quang dẫn, selen, nó sẽ biến đổi thông điện thành dòng điện.
- Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về
hệ thống thông tin quang. Phương tiện ông truyền dẫn của ông là thanh thủy
tinh.
- Vào những năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins và Nariorger Kapany
đã phát triển sợi quang có hai lớp. Bao gồm lớp lõi bên trong và lớp bọc bao
quang xung quanh bên ngoài lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng trong lõi.
- Năm 1958: Charles H.Townes đã phát minh ra con Laser cho phép tăng
cường và tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi.
- Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm
tăng dung lượng hệ thống thông tin quang rất cao.
- Năm 1966: Charles K.Kao và George Hockhan thuộc phòng thí nghiệm
Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng
minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp
chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu. Và họ
cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 6
1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
Trong hệ thống truyền thông ngày nay thì các hệ thống sử dụng kỹ thuật đơn
sóng mang không thể đáp ứng được những yêu cầu về truyền dẫn tốc độ cao và hiệu
suất sử dụng phổ. Kỹ thuật OFDM là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế
đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiện
ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu
ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ
lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Hệ thống sử dụng kỹ thuật
OFDM có thể truyền dẫn tốc độ cao bằng cách truyền nhiều luồng song song có tốc độ
thấp hơn.
Nhìn lại một chút về lịch sử của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy quá trình hình
thành và phát triển của nó. Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm
1966 ở Mỹ. Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này
đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của
Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được
thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được
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 trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người
ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho
bộ giải điều chế OFDM. Những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm
ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động. Đến những năm
1990, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như
ADSL, HDSL, VHDSL sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và
truyền thông số DVB. Những năm gần đây kỹ thuật OFDM đã được sử dụng trong các
chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong
chuẩn di động LTE và WiMAX.
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
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 8
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM
2.1. Định nghĩa QAM:
QAM là dạng điều chế số mà thông tin được chứa cả trong biên độ và pha của
sóng mang được truyền. Các trạng thái thường gặp của điều chế QAM là 4-QAM, 16-
QAM, 64-QAM, 256-QAM.
Hình 2.1: Các loại giản đồ chòm sao của QAM
Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín hiệu số.
Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc
tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học và
thống kê. Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của
một tín hiệu.
Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 90
0
. Mỗi lỗi
pha tạo ra do sự dịch pha của điều chế I/Q. Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này
không trực giao với nhau sau khi giải điều chế.
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 9
Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong tần số truyền đi và thêm
vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền. Sau khi giải điều chế,
nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp. Tần số của các tín hiệu
này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong
băng RF. Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của sự xoay vòng các
Trong đó {A
mc
} và {A
ms
} là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh
xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu. Ví dụ, một giản đồ chòm sao tín hiệu 16-
QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM. Nói
chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng sóng mang
trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM.
Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên
độ số và điều chế pha số. Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể
biểu diễn theo:
U
mn
(t) = A
mc
gT (t) cos(2πƒ
c
t+θ
n
) m=1,2,...,M
1
, n=1,2,...,M
2
. (2.2)
Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 10
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM
2.3. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM
(t) cos(2πƒ
c
t + Φ)
ψ2(t) = g
T
(t) sin(2πƒ
c
t + Φ) (2.4)
Như được minh 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 ψ
1
(t) và ψ
2
(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
r
C
= A
mc
+ n
c
cosΦ – n
s
sinΦ
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 2
n
, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2
n
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:
u
m
(t) = A
mc
g
T
(t) cos2πƒ
c
t + A
ms
g
T
(t) sin2πƒ
c
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 (A
mc
, A
ms
) được chuẩn
hóa bởi A. Giả sử các tín hiệu nhiều xác suất, công suất trung bình của tín hiệu truyền
đi là:
Với (a
mc,
a
mc
) 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
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:
Copyright: Tài liệu đại học ©