Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM quang Chương 2: Hệ thống OFDM Coherent (CO-OFDM) Chương 3: Công nghệ CO-OEDM-WDM quang và khả năng ứng dụng cho mạng VNP CHUONG 1: CONG NGHE OFDM QUANG Chuong | gidi thigu vé công nghệ OFDM quang với các vấn dé: công nghệ OFDM, nguyên lý của kỹ thuật OFDM quang, đặc điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM, sự khác biệt của hệ thống OFDM quang và hệ thống OFDM vô tuyến, phân loại hệ thống OFDM quang: CO-OFDM, DDO-OFDM. Công nghệ OFDM OFDM là một kĩ thuật điều chế đa song mạng tiên tiến, trong đó một băng tần lớn được chia thành các băng tần nhỏ hơn, và số liệu sẽ được truyền song song trên mỗi băng tần con riêng rẽ. Mặc dù, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong rất nhiều các tiêu chuẩn, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, song trong các hệ thống truyền dẫn quang nói chung, OFDM vẫn mới chỉ được xem như là một hướng phát triển rất khá hứa hẹn, và đang được nghiên cứu mạnh mẽ. So với các môi trường truyền dẫn khác, truyền dẫn quang có nhiều đặc tính ưu việt như suy hao truyền dẫn thấp, miễn nhiễm với ảnh hưởng do nhiễu tần số vô tuyến, băng thông lớn.
Do đó, hạ tầng truyền dẫn tốc độ cao phần lớn đều được xây dựng dựa trên các hệ thống truyền dẫn quang. Khái niệm và lịch sử phát triển OFDM 1. Khái nệm OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là phương pháp điều chế đa sóng mang (MCM). OFDM phân toàn bộ băng tần vào một số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang con này.
Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn. Các sóng mang con này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phô của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Một ví dụ về 4 sóng mang con cho một ký hiệu OFDM được minh họa ở hình 1.1a là 4 sóng mang con trong miền thời gian, hình 1.Ib là 4 sóng mang con trong miễn tần số và hình 1.1e là đáp ứng tổng cộng của 4 sóng mang con. 4 song mang con trong mien thoi gian T 7S a) 3 § 4 A L 0 01 02 03 04 08 08 07 08 08 1 thoi gian 4 song mang con mien tan so T T T 4E 4 L L 1 L L 4 2 0 2 4 6 8 tan so dap ung tong cong cua 4 song mang con c) 04L 3 L 1 1 1 L 4 2 0 s 4 8 8 Hình 1. Thí dụ về bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM 1. Lich str phat trién OFDM Thuật ngữ “OFDM?” trên thực tế được xuất hiện trong một sáng chế riêng của ông vào năm 1970.
Các lĩnh vực của OFDM đã có từ lâu và được phát triển, có tầm quan trọng nhất định trong các ứng dụng quân sự. Sự ra đời của ứng dụng kĩ thuật số băng rộng và sự hoàn thiện của chip CMOS có độ tích hợp cao năm 1990 đã mang OFDM vào tâm điểm chú ý. Khái niệm OFDM được giới thiệu lần đầu tiên bởi Chang trong một hội thảo năm 1996 [1]. Năm 1995, OFDM được chọn như là một chuẩn DAB của châu Âu, đảm bảo ý nghĩa của nó như một công nghệ điều chế quan trọng và báo hiệu một kỉ nguyên mới của sự thành công trong một loạt các ứng dụng.
Một trong số những tiêu chuẩn quan trọng sử dụng kết hợp công nghệ OFDM là DVB, mạng cục bộ không dây (Wi-Fi; IEEE 802.1 1a/g), mạng đô thị không dây (WiMAX 802.162), đường dây thuê bao bat đối xứng (ADSL; TTU G.1), và công nghệ thông di động thế hệ thứ tư (4G). Ứng dụng của OFDM trong truyền thông quang xảy ra muộn hơn và tương đối ít so với bản sao RF. Mặc dù cùng là một từ viết tắt OFDM có từ lâu được sử dụng để đại diện cho “ghép kênh phân chia tần số trực giao quang học” trong truyền thông quang chung. Bài báo đầu tiên về OFDM quang trong các tài liệu mở được báo cáo bởi Pan va Green nam 1996, và cũng liện tục có một sỐ nghiên cứu về OFDM trong những năm tiếp theo.
Tuy nhiên, lợi thế cơ bản của OFDM, cụ thể là độ chắc chắn của nó đối với sự phân tán của kênh quang học không được công nhận trong truyền thông quang cho đến năm 2001. Khi Dixon et al đề xuất sử dụng OFDM để chống lại phương thức phân tán trong sợi quang (MME). Với thực tế là các kênh sợi MMF tương tự như kênh không dây trong điều kiện pha đỉnh đa đường, không ngạc nhiên rằng các tiêu chuẩn làm việc ban đầu trên OFDM quang tập trung vào ứng dụng sợi MME. Sự quan tâm về OFDM ngày một được tăng lên phần lớn là do đề xuất độc lập của OFDM quang cho các ứng dụng đường dài từ ba nhóm, bao gồm phát hiện trực tiếp OFDM quang (DDO-OFDM) va coherent OFDM (CO-OFDM).
Cho đến nay, truyền din CO-OFDM theo chuẩn sợi don mode (SSMF) 1a 100 Gb/s qua 1000km voi hiéu suat phé tan 2 bit/s/Hz di duge chimg minh trong các nhóm khác nhau. Một trong những thế mạnh của OFDM quang là nó có thê được điều chỉnh cho các ứng dụng khác nhau. Nguyên lý OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng đữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng đữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một số sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý.
Khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song, vì các sóng mang con này truyền symbol với tốc độ thấp hơn, nên giảm được tác động do dãn xung gây ra. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) dé tránh xuyên nhiễu giữa các song mang ISI.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế FDM và kỹ thuật OFDM. Bằng cách sử dụng kỹ thuật OFDM, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông.
Tuy nhiên, trong kỹ thuật OFDM, chúng ta cần triệt dé giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.10 IIIIIUUl Khoảng thông tiết kiệm Tân số Tân số (b) Hình 1. Tiết kiệm phổ tần của OFDM so voi FDM: (a) FDM, (b) OFDM 1. Tính trực giao trong OFDM Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này.
Mắt đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con chồng lấn nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện. T, là chu kỳ ký hiệu.
K là hằng số. Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: ., N-1 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng F, = 1/Ts và trực giao từng đôi một do thỏa điều kién (1. k Vi du, ta xét hai song mang sn| 2z + ‘ va sil 20. Ss Ss Ta thực hiện tích phân sau: Ts : k k J sin 2n—t | Sin} 2n— t ldt 0 Ts Ts; (1.3) Ts slo nk, —k, }— e082 nk, +k,)= hn =0 Ss Ss Như vậy, các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính.
Trong miền tần số, phô của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miễn thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của Fs. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (hình 1. Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau.
Phổ của các sóng mang trực giao 1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM OFDM là một loại đặc biệt của điều chế đa sóng mang (MCM), việc thực hiện chung của nó được mô tả trong hình 1. Cấu trúc của một bộ nhân phức tạp (điều chế IQ/ giải điều chế IQ), nó thường được sử dụng trong hệ thống MCM, cũng được thể hiện trong hình. Tín hiệu truyền MCM s(t) được biểu diễn [1]: + sứ)= 3 3 œs,(—iT,) (1.) 6 Trong đó c¿; là kí hiệu mang thông tin thứ ¡ tại sóng mang con thứ k, s„ là dạng sóng cho & sóng mang con, XW„„ là số sóng mang con, ƒ, là tần số sóng mang con, 7, là thời gian một kí hiệu OFDM, và [](/) là hàm xung đơn vị.
Các bộ dò quang tối ưu cho mỗi sóng mang con sử dụng một bộ lọc phù hợp với dạng sóng hay tương quan phù hợp với sóng mang con như trong hình 1. Sơ đồ chung cho một hệ thống điều chế đa sóng mang Do đó, việc xác định kí hiệu mạng thông tin củ tại đầu ra được tính theo công thức: 1 T, 1 T, Cự — ~irữ — iT, )s,dt = 7 irl — iT.7) s 0 Ss Trong đó, r(7) là thời gian tín hiệu trong miền thu. MCM cổ điển sử dụng những tín hiệu có dai tan hạn chế không chồng chéo và có thể được lắp đặt với một số lượng lớn khối dao động và bộ lọc cả đầu phát và đầu thu. Bất lợi lớn của MCM là nó yêu cầu băng thông lớn.
Đó là bởi vì dé thiết kế các bộ lọc và bộ dao động một cách hiệu quả, khoảng cách kênh phải bằng một bội số của tốc độ kí hiệu để giảm hiệu quả phổ một cách tốt nhất. Một phương pháp mới đã được nghiên cứu bằng việc sử dụng những bộ tín hiệu trực giao chồng lấn nhau. Tính trực giao này bắt nguồn từ một mối tương quan đơn giản giữa bất kì hai sóng mang con nảo.