intTypePromotion=3

Luận văn: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

Chia sẻ: Trường Su Pham Ky Thuat | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

0
108
lượt xem
46
download

Luận văn: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM" có nội dung gồm các chương sau: chương 1 tổng quan, chương 2 phương pháp điều chế QAM, chương 3 hệ thống CO-OFDM, chương 4 mô phỏng và kết quả, chương 5 kết luận và hướng phát triển.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM

  1. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ii
  2. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN ......................................................................................................ii MỤC LỤC .....................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỬ VIẾT TẮT ................................................ vi DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ ix LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG .. 3 1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM ...................................................................................................... 6 1.3. Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI .................................................................................. 7 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM........................................... 8 2.1. Định nghĩa QAM: ..................................................................................... 8 2.2. Điều chế QAM ......................................................................................... 9 2.3. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM ........................................................ 10 2.4. Đặc điểm của tín hiệu QAM ................................................................... 12 2.5. Xác suất xác định sai tín hiệu QAM ........................................................ 12 2.6. Thiết kế 16-QAM 4R .............................................................................. 15 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CO-OFDM ........................................................... 20 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iii
  3. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 3.1. Giới thiệu hệ thống CO- OFDM ............................................................. 20 3.2. Kỹ thuật OFDM...................................................................................... 21 3.2.1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM ............................................... 21 3.2.2. Tính trực giao OFDM ......................................................................... 22 3.2.3. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM ........................................ 23 3.2.4. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .............................................. 25 3.3. Bộ phát quang......................................................................................... 26 3.3.1. Nguồn phát quang .............................................................................. 27 3.3.2. Bộ điều chế quang .............................................................................. 29 3.4. Bộ thu quang .......................................................................................... 32 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iv
  4. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang v
  5. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỬ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line APD Avalanche-Photo-Diode ASE Amplified Spontaneous Emission noise BER Bit Error Ratio BPSK Binary Phase Shift Keying BW BandWidth CD Chromatic Dispersion CO-OFDM Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Mutilplexing CP Cyclic Prefix DAB Digital Audio Broadcasting DAC Digital to Analog Converter DCF Dispersion-Compensating Fibers DD Direct Detector DFB Distributed Feedback Lasers DFT/IDFT Discrete Fourier Transform/ Invert Discrete Fourier Transform DGD Differential Group Delay DM Direct Modulator DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vi
  6. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM FEC Forward Error Correction FFT/IFFT Fast Fourier Transform/ Invert FFT FWM Four-Wave Mixing GI Graded-Index Fibers GI Guard Interval 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vii
  7. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 SOA Optical Semiconductor Amplifier SOA Optical Semiconductor Amplifier SPM Self-Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering Tx Transmitter WDM Wavelength Division Multiplexing XPM Cross-Phase Modulation SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang viii
  8. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang ......................................... 5 Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM ...................................................... 8 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM .................................. 10 Hình 2.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM ........................................................ 11 Hình 2.4 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu ................................................................. 13 Hình 2.5 Bốn tập hợp tín hiệu QAM tám điểm (M=8) ........................................... 14 Hình 2.6 Giản đồ của 16-QAM Rectangular và 16–QAM 4R. ............................... 15 Hình 2.7 Khoảng cách giữa các điểm sao .............................................................. 16 Hình 2.8 Bố trí các điểm vào giản đồ 16-QAM 4R ................................................ 18 Hình 3.1 Mô hình hệ thống CO- OFDM ................................................................ 21 Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ............................................................................................ 22 Hình 3.3 Phổ tần của các sóng mang con trực giao trong miền tần số .................... 23 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................ 24 Hình 3.5 Chèn chuổi bảo vệ vào symbol OFDM.................................................... 25 Hình 3.6 Mô hình điều chế quang kết hợp sử dụng MZN ...................................... 26 Hình 3.7 Các cơ chế chuyển đổi mức năng lượng .................................................. 28 Hình 3.8 Cấu trúc của Lazer DFB .......................................................................... 29 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ix
  9. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang x
  10. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 Hình 4.17 Bộ xử lý tín hiệu OFDM – OFDM Rx ................................................... 51 Hình 4.18 Phần thực và phần ảo ngõ vào bộ giải điều chế tín hiệu OFDM............. 51 Hình 4.19 Phần thực và ảo của tín hiệu ngõ ra bộ giải điều chế tín hiệu OFDM..... 52 Hình 4.20 Giản đồ chòm sao tương ứng với phía phát và phía thu ......................... 52 Hình 4.21 Giản đồ chòm sao ở phía đầu thu .......................................................... 53 Hình 4.22 Giản đồ mắt tại phía thu ........................................................................ 54 Hình 4.23 Khảo sát BER dựa trên công suất đầu vào sợi quang ............................. 55 Hình 4.24 Khảo sát BER theo khoảng cách của hai phương pháp điều chế 4QAM và 16QAM ....................................................................................................... 56 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang xi
  11. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM LỜI MỞ ĐẦU Trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thông hiện nay sự đòi hỏi ngày càng cao về hệ thống truyền tải thông tin đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng về tốc độ và dung lượng của hệ thống. Vì vậy, hệ thống thông tin quang từ khi ra đời đến nay đã không ngừng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu về một hệ thống mạng viễn thông có dung lượng lớn, tốc độ cao… và đã thay thế dần mạng lưới thông tin hiện tại. Hiện nay, nhiều kỹ thuật tiên tiến đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm khai thác triệt để khả năng truyền tải thông tin gần như vô tận mà hệ thống thông tin quang mang lại. Một trong những hệ thống thông tin quang thế hệ mới được nghiên cứu và phát triển hiện nay là hệ thống Coherent Optical OFDM (CO-OFDM). Hệ thống này sử dụng kỹ thuật OFDM để xử lý tín hiệu trong miền điện nhằm nâng hiệu suất sử dụng phổ và có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền sợi quang gây ra. Tán sắc không những làm giới hạn khoảng cách truyền dẫn mà còn làm giảm tốc độ của hệ thống. Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM, chúng ta có thể nâng cao hiệu quả băng tần và giảm sự ảnh hưởng của tán sắc bằng cách sử dụng các bộ điều chế nhiều mức. Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM với cách bố trí giản đồ chòm sao hợp lý sao cho giảm được ảnh hưởng tán sắc đến hệ thống thông tin quang. Ngoài ra, đề tài còn tập trung khảo sát việc sử dụng bộ điều chế đa mức vào hệ thống CO-OFDM nhằm giảm băng thông, nâng cao tốc độ truyền và khoảng cách 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. SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 1
  12. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM  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. SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 2
  13. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung chính của chương 1 trình bày sơ lược quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, tiềm năng và xu hướng phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai. Bên cạnh đó, trong chương này cũng trình bày một cách tổng quan những đặc điểm nổi trội của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Đây là cơ sở để nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống truyền dẫn sợi quang để xây dựng lên hệ thống CO-OFDM. Cuối chương này sẽ trình bày ý tưởng chính của đề tài. 1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Ngay từ xa xưa con người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền tin. Đó là hệ thống truyền tin bằng ánh sáng cơ bản nhất mà con người đã phát minh ra. Những hệ thống mà người xưa sử dụng mà đa số chúng ta điều biết là các chòi lửa báo tin trong chiến trận và các ngọn hải đăng dẫn đường trên biển. Hệ thống truyền thông bằng ánh sáng ngày nay đã có nhiều bước phát triển vượt bậc giúp cho chúng ta truyền tải thông tin với tốc độ lên đến hàng Terabit trên giây với khoảng cách lên đến hàng ngàn Kilomet vượt qua tất cả các đại dương và châu lục trên thế giới. Các hệ thống thông tin quang ngày càng đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống truyền dẫn đường dài, tốc độ cao và tỷ lệ lỗi thấp. Chính vì vậy nó dần thống lĩnh toàn bộ hệ thống mạng viễn thông trên toàn thế giới. Để có được những kết quả như vậy hệ thống thông tin quang đã trải qua một quá trình phát triển và hoàn thiện. Chúng ta có thể tóm tắt bằng các cột mốc chính sau đây: - Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống 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 SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 3
  14. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 đi xa nhiều Km. - Năm 1967: Suy hao sợi quang được báo cáo là gần 1000dB/Km. - Năm 1970: Hãng Corning Glass Works đã chế tạo thành công sợi SI có suy hao α< 20dB/Km. - Năm 1972: Loại sợi GI được chế tạo với suy hao α < 4dB/Km. - Năm 1983: Sợi SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ. Hiện nay, sợi quang đơn mode được sử dụng rộng rãi có suy hao α < 0,2 dB/Km ở bước sóng 1550nm và trong một số nghiên cứu gần đây thì giá trị suy hao đã xuống dưới 0,154 dB/Km.[1] Qua tiến trình lịch sử của hệ thống thông tin quang, ta thấy với sự phát triển của công nghệ chế tạo các nguồn phát quang, thu quang và sợi quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại là: SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 4
  15. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM - Suy hao truyền dẫn rất nhỏ. - Băng tầng truyền dẫn lớn. - Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ. - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao. - Có kích thước và trọng lượng nhỏ. - Sợi có tính cách điện tốt. - Tin cậy và linh hoạt. - Sợi được chế tạo từ vật liệu có sẵn . Với những ưu điểm tuyệt vời như trên thì hệ thống thông tin quang ngày càng được nghiên cứu và phát triển để đạt được tốc độ lên hàng Tb/s. Hình 1.1 cho ta thấy, vào những năm 1995 thì hệ thống quang WDM đã được thương mại hóa với tốc độ đạt 40 Gb/s. Các hệ thống ghép kênh DWDM được nghiên cứu hiện nay đã có kết quả thực nghiệm lên tới hàng chục Tb/s vào những năm đầu của thế kỷ XXI. [1] Hình 1.1 Sự phát triển tốc độ hệ thống truyền dẫn quang SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 5
  16. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 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. Những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật OFDM như: (1) loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nhờ sử dụng chuổi bảo vệ (GI). (2) Sử dụng hiệu quả băng SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 6
  17. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM tầng do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Với những ưu điểm nổi bật như trên, kỹ thuật OFDM đã và đang được tiếp tục nghiên cứu, cải tiến ở nhiều nơi trên thế giới[2]. Một trong hướng nghiên cứu đó là ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống thông tin quang nhằm giải quyết các vấn đề được đặt ra khi nâng cao tốc độ hệ thống. Đó là việc kéo dài thời gian cho mỗi symbol khi truyền sẽ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc trong sợi quang. Ngoài ra, việc chia tốc độ của hệ thống ra nhiều luồng tốc độ nhỏ hơn cũng làm nâng cao khả năng truyền tải thông tin của hệ thống. 1.3. Ý TƯỞNG ĐỀ TÀI Mục đích chính của đề tài là thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16-QAM và ứng dụng vào trong hệ thống CO-OFDM. Đề tài sử dụng công cụ Matlab Simulink để xây dựng một hệ thống CO-OFDM và khảo sát tác động của các phương pháp điều chế khác nhau vào hệ thống để chứng tỏ được những ưu điểm của phương pháp điều chế bậc cao trong việc tăng tốc độ truyền dẫn, tối ưu băng thông và giảm những ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc lên hệ thống. SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 7
  18. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 900. 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. SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 8
  19. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM 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 điểm sao chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu. Giản đồ chòm sao sẽ biểu hiện hướng dịch chuyển của các điểm sao so với các trạng thái tín hiệu lý tưởng. Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền. Nhiễu Gausse có mật độ công suất xác định và phân bố biên độ Gausse lên băng thông của kênh. Nếu tại cùng 1 điểm không có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn. 2.2. Điều chế QAM Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrture-Amplitude- Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒ ct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin. Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng: U m(t) = A mcgT (t) cos2πƒc t + A msgT (t) sin2πƒc t m=1,2,...,M (2.1) 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: Umn(t) = A mcgT (t) cos(2πƒct+θn) m=1,2,...,M1, n=1,2,...,M2. (2.2) SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 9
  20. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM 2.3. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình truyền dẫn tín hiệu. Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gausse. Vì vậy, r(t) có thể biểu diễn theo: R(t) = A mcgT (t) cos(2πƒct + Φ) + AmcgT (t) sin(2πƒ ct + Φ) +n(t) (2.3) Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và n(t) = nc(t) cos2πƒct – nssin2πƒct. Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha ψ1(t) = gT (t) cos(2πƒct + Φ) ψ2(t) = gT (t) sin(2πƒct + 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 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: SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 10

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản