Luận Văn 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
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 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang iv
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
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




Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vi
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 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang vii
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 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
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

Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang ix
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 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
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 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 1
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. 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.

















Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 3
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 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
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: Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 5
- 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 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
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 Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế 16QAM và ứng dụng vào hệ thống CO-OFDM
SVTN: Nguyễn Vũ Linh Trang 7
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.










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
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 c t và sin2πƒ c t, 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 mc g T (t) cos2πƒ c t + A ms g T (t) sin2πƒ c 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:
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
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 mc g T (t) cos(2πƒ c t + Φ) + A mc g T (t) sin(2πƒ c t + Φ) +n(t) (2.3)
Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và n(t) = n c (t) cos2πƒ c t –
n s sin2πƒ c t.
Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch
pha
ψ1(t) = g T (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
r S = A mc + n c sinΦ – n s cosΦ (2.5)
Trong đó:

Các thành phần ồn là các biến ngẫu nhiên Gausse không tương quan, trung bình
0 và varian N 0 /2.
Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách

Trong đó r= (r c , r s )

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 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 t 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:
P AV = 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:
P AV =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 (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

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 = 6,83A
2
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 d 1 = d 2 = 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.