kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nguyên lý và ứng dụng của ofdm

Cách sắp xếp này làm giảm xác suất lỗi ở 1.3 Giới thiệu về OFDM Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tí

Nguyªn lý & øng dông cña OFDM

Mở đầu

Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sứcnhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có cácgiải pháp thích hợp để thực hiện Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệutốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp OFDM đã đợc sử dụng trongphát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộkhông dây Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu vàứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện,thông tin di động, Wireless ATM

OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuậtnày phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mangkhác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc

độ thấp Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệutốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóngmang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa cácsóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả Ngoài ra sử dụng

họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệthống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọichung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo củaR.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khithực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Năm 1971 Weistein và Ebert sửdụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này Tuy nhiên, chotới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có nhữngtiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý

ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật

điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê baokhông đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC Song songvới việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật

điều chế OFDM Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:

- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số

- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM

- Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mãhóa.

- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến

Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp Vớithời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếusót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè

đồng nghiệp

Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tìnhgiúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Mục lục

Mở đầu Mục lục Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số

1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 5

1.1.1 Tín hiệu số 5

1.1.2 Mã đờng dây Line Code 6

1.2 Truyền dẫn BroadBand 11

1.2.1 Amplitude Shift Keying 11

1.2.2 Frequency Shift Keying 13

1.2.3 Phase Shift Keying 15

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 17

1.3 Giới thiệu về OFDM 18

Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 2.1 Trực giao trong OFDM 25

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 29

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 30

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 31

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 31

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 32

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 33

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 34

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol 35

2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 37

2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 38

2.4.1 Lọc thông dải 39

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 41

Chơng 4 Đồng bộ và Cân bằng 4.1 Đồng bộ 42

4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 42

4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 45

4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 46

4.1.4 Ước lợng dịch tần số 47

4.2 Cân bằng 48

4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 49

4.2.2 Cân bằng trong miền tần số 51

4.2.3 Khử tiếng vọng 54

Chơng 5 M hóa kênhã hóa kênh 5.1 Mã hóa khối trong OFDM 60

5.2 Mã hóa vòng xoắn 64

5.3 Mã hóa mắt lới 67

5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 70

Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin vô tuyến 6.1 Phát thanh số DAB 73

6.1.1 Giới thiệu 73

6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 75

6.2 Truyền hình số DVB 77

6.2.1 Giới thiệu 77

6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 79

6.3 Mạng LAN không dây 83

Chơng 7 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến 7.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 88

7.1.1 Giới thiệu ADSL 88

7.1.2 Đặc tính của kênh truyền 89

7.1.3 Hệ thống ADSL 92

7.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC 94

7.2.1 Giới thiệu PLC 94

7.2.2 Đặc tính của kênh truyền 95

7.2.3 Hệ thống PLC 98

Kết luận Một số thuật ngữ dùng trong đồ án

Tài liệu tham khảo

Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số

Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi

điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội

Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng côngnghiệp giải phóng sức lao động của con ngời Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều

đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt ở

đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thànhcông của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số

1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand

Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổvô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền

1.1.1 Tín hiệu số

Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và

5v với mức TTL Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các

bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa Đểtruyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền LineCode với mục đích:

Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài

hơn Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit Chúng

ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợpthành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ

chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều Điều này là cần thiết vìkhông thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc Tuy nhiên việctăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộngbăng tần

Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng

tần Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờngtruyền có băng tần hạn chế Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênhhoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tínhiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc

Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền Không liên quan đến chất

lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọngcủa mã đờng truyền

Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung đồng

hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành

phần tần số cao và thấp trớc khi lọc

1.1.2 Mã đờng dây Line Code

xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây

Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau:

- Chuyển mức về không ở giữa bit

+ Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero)

+ Có chuyển mức RZ (Return to Zero)

- Cực tính

+ Đơn cực UniPolar

+ Phân cực BiPolar

Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số củaITU:

Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây2.048

8.44834.368139.264564.992

HDB3HDB3HDB3CMICMI1.544

6.31232.06444.736

AMI, B8ZSB6ZS, B8ZSAMI (Scrambled)

B3ZS1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)

Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa

của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0 Mã có các mức điện áp ra là

đất của hệ thống Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI

Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ) Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.

AMI Non Return Zero

AMI Return Zero

-V

-V

Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMIMã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực

đại ở 1/2 tốc độ bit Trong mã AMI các xung dơng luân phiên nhau, do đó nếu

có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ gây

ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trờng hợp đó sẽ xuất hiệnhai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lỡng cực và hệ thống có thể dễ

dàng phát hiện ra lỗi đó Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có thể

gây mất đồng bộ Để khắc phục ngời ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trớckhi truyền Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit đợc thực hiện bằng cách cộng modul-2với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence) Phía thu sẽthực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng modul-2chuỗi bit thu đợc với chuỗi PRBS một cách đồng bộ

1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion)

Mã CMI cũng tơng tự nh mã AMI Non return zero Nhng để tránh mất

đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành 2

t +V

Binary

Code Mark Inversion

-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI

hóa nh sau: bit 0 tơng ứng với 01 còn bit 1 tơng ứng với bit 00 và 11 luânphiên nhau

1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)

Mã HDB3 tơng tự nh mã AMI Return Zero Nhng để tránh mất đồng bộ

do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổhợp 000V hoặc B00V Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lỡng cực

sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cựctính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực Nh vậy trong dòng mãHDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0

0 B 0 0 0 V B

t +V

1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution)

Tơng tự nh HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero đểtránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp Nhng cách thay thế các bit 0 củaBnZS khác với HDB3:

B2ZSB3ZSB4ZSB6ZSB8ZS

00000000000000000000000

0V0VB0V0B0VB0VB000VB0VB

1.2 Truyền dẫn BroadBand

Nếu nh kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp vớikênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số thíchhợp để cho phép truyền đợc qua băng thông của kênh Kênh qua đó tín hiệu đ-

ợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần

số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang

nh trong điều chế đơn biên (SSB) Nếu độ rộng băng tần của các tín hiệu vàcác kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là các tín hiệu bănghẹp Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóngmang thành từng mức gián đoạn Mặc dù có nhiều phơng thức điều chế, nhngviệc phân tích các phơng thức này tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế

và tách sóng Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp Loạikết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đợc sử dụng trong điều chế dịch phaPSK (Phase Shift Keying) Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đờngbao đợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying)

và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying)

1.2.1 Amplitude Shift Keying

Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang

c d

0

Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 nh sau:

Hình 1-5 Tín hiệu ASKTheo biến đổi Fourier ta có:

5

1 3

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

0t w t w t w

cos 3

1 cos

cos 2

cos 2

1

0

0t w t w t w t w

t w t

v

t v t v t

v

c c

c ASK

d c ASK

Do đó:

cos 2 1

0 0

0 0

w w

t w w t

w w t

w t

v

c c

c c

c ASK



Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK

đó mỗi trạng thái của tín hiệu đợc gọi là 1 baud

ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chếkhông kết hợp (tách sóng đờng bao) Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc

độ nhỏ

1.2.2 Frequency Shift Keying

Điều chế khóa dịch tần số FSK đợc thực hiện bằng cách dịch tần số sóngmang đi một lợng nhất định tơng ứng với tín hiệu số đa và điều chế TrongFSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:

t w t

v FSK

2

1 cos cos

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

0t w t w t w

1 3

cos 3

1 cos

2 2

1 cos

5 cos 5

1 3

cos 3

1 cos

2 2

1 cos

0 0

0 2

0 0

0 1

t w t

w t

w t

w

t w t

w t

w t

w t

cos cos

1 cos

2 1

3 cos 3

cos 3 1

cos cos

1 cos

2 1

0 2 0

2

0 2 0

2 2

0 1 0

1

0 1 0

1 1

w w

t w w t

w w t

w

t w w t

w w

t w w t

w w t

w t

v FSK





Nh vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh dạng phổ của tín hiệu ASK

chúng là f s

Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSKFSK có thể đợc điều chế 2 hay M mức Phơng pháp khóa dịch tần số FSK

đợc dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo cácchuẩn V21, V22, V24

1.2.3 Phase Shift Keying

Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóngmang để điều chế tin tức Xét trờng hợp đơn giản với PSK hai trạng thái

t v v

or t

w

t w v

t

v

c

c PSK c

c PSK

d

 cos

cos 0

1

 t v  t v  t

Hình 1-9 Tín hiệu PSKBiến đổi Fourier của tín hiệu số lỡng cực có dạng sau:

5

1 3

cos 3

1 cos

4

0 0

0t w t w t w

cos

4

0

0t w t w t w

t w t

v t v t

cos cos

2

0 0

0 0

w w

t w w t

w w t

v

c c

c c

PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số Để truyền dẫn số liệu

tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức Trong đó phổ biến là 4-PSK (QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation

Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thểcoi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng phápnày sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu Do sửdụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM chophép số trạng thái tín hiệu lớn Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơngứng với 4 và 6 bit trong một baud Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray tức là hai

tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit Cách sắp xếp này làm giảm xác suất lỗi ở

1.3 Giới thiệu về OFDM

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)

đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm, ví

dụ nh điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các sóngmang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu Để phía thu có thể tách đợc cáctín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ của

các sóng mang Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băngthông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp.

Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền các bản tinriêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tintốc độ cao Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó đợcchuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang

Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sửdung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thuphát thì sẽ phức tạp và giá thành cao Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tincon, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơnbản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì

hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóngmang con Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệuinter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol

là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài củasymbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang Trớc khi phát triển kỹthuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn tốc độ caomặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp

Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế

đa tần có lẽ là hệ thống “0”Kinepiex” Hệ thống Kinepiex đợc phát triển bởiCollins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống

lại nhiễu nhiều đờng multi-path Trong hệ thống này, cứ 20 tones đợc điều chế 4-PSK vi sai vào một sóng mang Phổ của các sóng mang này có dạng sin(kf)/f

và do đó có thể ghép chồng phổ Giống nh OFDM hiện nay, các tones đợc đểcách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và có khảnăng phân tách ra ở máy thu Hệ thống đa sóng mang này đợc gọi tên làMulti-tone

Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóngmang và phát hiện tơng quan ở phía thu Khoảng các giữa các sóng mangbằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u Hệ thống nàycòn sử dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số

mod

mod mod

mod filter

filter filter

filter

` cosw 1t

sinw 1t cosw 2t

sinw 2t

`

S/P

Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu

Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến

đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu Kỹ thuật này phân chiatín hiệu ra thành từng khối N số phức Sử dụng biến đổi Fourier ngợc IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp Tại phíathu, bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast FourierTransform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đợc Phơng pháp điều chế OFDMnày đợc đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone) Phổ của tín hiệu DMT trên đờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu

điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu

nh đã đề cập ở trên Trong đó mỗi sóng mang đợc điều chế QAM với một số

phức Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f nh của hệ thống OFDM

ban đầu

Block into N complex numbers

Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến

của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều nàykhông phải là bắt buộc Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêucầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóngmang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợc nghiêncứu đa vào nhiều ứng dụng Một vài modem OFDM âm tần đã đợc chế tạo.Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản phẩm chúng cha

đợc tiêu chuẩn hóa DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua

đ-ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital SubscriberLine) Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu

điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng

Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi

mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình Đó là tính chống lại

ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha đinh lựachọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với cácphơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữliệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao

Information

source

Outer Decoding

Inner

Cyclic ext Pulse shaping Zero padding

Symbol level Freq Interleaver

Outer coding

Information load

AGC/Coarse

Synchronization

Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến

Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single FrequencyNetwork) dùng trong phát thanh và truyền hình số Trong mạng đơn tần nhiềutrạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóngmột vùng rộng lớn trên cùng một tần số ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ nhiềutrạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây ảnh hởngtới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM

Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạngLAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏnhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so vớichu kỳ symbol Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

đợc sử dụng

Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiềuứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.

Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật

đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đitrên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyềndẫn đơn sóng mang Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khácnhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số Tất cả các trạm phát đồng thờinhng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần

số khác nhau Dải thông các tín hiệu này đợc đặt cách nhau một khoảng tần sốsao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt đợc tín hiệu cần thu, lọc bỏ tínhiệu của các sóng mang khác Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang cómột khoảng tần số không đợc sử dụng để truyền tin tức Sau khi qua bộ lọc,tín hiệu thu đợc sẽ đợc giải điều chế để nhận đợc tin tức cần thu Nh vậy cóthể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số

Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin đợc truyền đi trên một

thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM Khái niệm sóng mang conhoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duynhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng

gọi là tín hiệu OFDM Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều cácnhóm nh vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóngmang con trong một nhóm đợc đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việckiểm soát nhiễu giữa chúng đợc thực hiện rất chặt chẽ Các sóng mang connày có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tínhtrực giao giữa chúng đợc bảo đảm Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệuquả sử dụng dải tần

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhaunên các sóng mang có thể đợc điều chế theo cả 2 phơng thức: tơng tự và số.Trong OFDM, các sóng mang con đợc đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng ph-

ơng thức điều chế số Một ký tự (symbol) OFDM đợc hiểu là một nhóm cácbit đợc truyền một cách song song Trong miền tần số, các symbol này tồn tạidới dạng các khối phổ riêng rẽ Trong từng khối có sự chồng phổ giữa cácsóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo

2.1 Trực giao trong OFDM

Tín hiệu đợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Trựcgiao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin đợc truyền đi trên kênhtruyền thông thờng mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữacác tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thôngtin Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao Kỹ thuậtphân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênhbằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian Trong suốt thời gian truyềnmột khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền Bằng cách truyềnkhông đồng thời các bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng Các bảntin có thể đợc xem nh là đã trực giao với nhau, trực giao về mặt thời gian Kỹthuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cáchcấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữadải thông của 2 tín hiệu

OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập cácsóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một sốnguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Nh vậy, trong thời gian tồn tạisymbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Nh vậymỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồnglấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấycấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con

Hình 2- Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM

Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần,với số chu kỳ tơng ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóng mang con này

đều bằng 0 Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tơng ứng là FFT của các sóng mangcon trong miền thời gian Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóngmang con và kết quả FFT của nó

Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao vớinhau nếu chúng thoả mãn :

t s t s

0 ( ) ( ) 0

Công thức trên đợc hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2sóng mang con khác nhau thì bằng 0 Điều này có nghĩa là ở máy thu cácsóng mang con không gây nhiễu lên nhau Nếu các sóng mang con này códạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng :

T t t

kf t

s k

0

,

2 , 1 0

) 2 sin(

)

Trong đó:

N số sóng mang con trong một symbol

T thời gian tồn tại của symbol

Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điều chế sẽgiống nh hình sau Lu ý rằng nếu các sóng mang con trên cha đợc điều chế thìdạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm

Hình 2-2 Phổ của họ sóng mang trực giao

Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâmcủa sóng mang con khác thì bằng 0.

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi đợc biểu diễn bởi một dạngsóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang Sóngmang này thờng có dạng hình sin Sau khi đợc điều chế tin tức, trong sóngmang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần sốtrung tâm của sóng mang và các hài Mức tơng đối của một tần số khi so sánhvới một tần số khác đợc cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này có đợcbằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian Về mặt lýthuyết, để đạt đợc giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trêntoàn bộ miền thời gian (-  ), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fouriertrên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm Không một hệ thống kỹ thuậtnào có thể làm đợc điều này Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổiFourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục đợc dạng sóng mang màkhông làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fourier tại một số hữuhạn điểm đợc gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete FourierTransform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó đợc gọi làphép biến đổi Fourier ngợc

Nh đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mangcon dạng hình sin trong miền thời gian Trong miền tần số các sóng mang con

này có dạng sinc (sin cardinal), hay sin(x)/x Dạng sinc có một búp chính và

các búp phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang con.Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau

trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang conbất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0 ở phía thu, khi dùngDFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục mà làcác mẫu rời rạc Các mẫu đó đợc biểu diễn bởi các khuyên tròn (o) trên hình

vẽ Nếu DFT đợc đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tơng ứng với

đỉnh của các sóng mang con Và nh vậy thì sự chồng phổ của các sóng mangcon không ảnh hởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng mang con tơngứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóngmang đợc bảo đảm

Hình 2-3 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b)

là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM

Hình 2-4 Sơ đồ khối thu phát OFDM

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn đợc tạo ra trong miền số, dorất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tơng tự Tạikhối phát, dữ liệu số sau khi đợc điều chế vào các sóng mang đợc đem đi thựchiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang Trong thực

tế ngời ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bớc này FFT là mộtdạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên

đợc dùng trong các hệ thống thực tế Sau khi đã tạo đợc sự trực giao giữa cácsóng mang, các sóng mang này lại đợc chuyển về miền thời gian bằng IFFT

để truyền đi Lúc này ta đã tạo đợc một tín hiệu OFDM gồm một nhóm cácsóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian Lu ý, tín hiệu OFDM mớichỉ ở băng tần cơ sở, cần đợc chuyển lên tới tần số đợc lựa chọn để truyền đi.Khối thu thực hiện quá trình ngợc lại khối phát Tín hiệu OFDM thu từanten đợc chuyển về băng tần cơ sở để xử lý Tín hiệu này sau đó đợc qua FFT

để phân tích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độ của các sóng mang con

đợc nhận diện và đợc chuyển thành dữ liệu số cần thu

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)

Dữ liệu số thờng ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp Trong hệ thốngOFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 – 4000 bits, do đó bớc chuyển đổi nốitiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số bitthông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóngmang con Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM, nh vậy mỗi sóngmang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bitthông tin trên một symbol sẽ là 4100 = 400 (bits) Chú ý rằng nếu ta dùngphơng thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trêntừng sóng mang con có thể không giống nhau Tại phía thu quá trình ngợc lại,chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ đợc thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nốitiếp nh ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do pha đinh chọnlựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọngtới mức gây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số củakênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bịphá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu nh cụm bit lỗinày không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn

đề sẽ chẳng đáng ngại Nhng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thờng khá lớn,trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cảithiện khả năng sửa lỗi thờng rất tốn kém Một ý tởng đơn giản và dễ thực hiện

để giải quyết vấn đề này đó là: nếu nh các cụm bit lỗi này gồm các bit khônglân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗinày sẽ nằm rải rác, và nh vậy ta đã tránh đợc các cụm bit lỗi lớn Do đó ở hầuhết các hệ thống thực tế, ngời ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi

là cài xen (interleaving) nh là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp songsong Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thôngtin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng

đúng thứ tự ở phía thu

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ

Các sóng mang phụ sau khi đợc cấp phát các bit thông tin để truyền đi,chúng sẽ đợc điều chế pha và biên độ bằng các phơng thức điều chế thích hợp.Lúc này sóng mang đợc biểu diễn bằng vector IQ Quá trình điều chế vào cácsóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo một sơ đồ

điều chế (Constellation) cụ thể Do đó quá trình này còn gọi là Mapping

Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu Trongquá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận

đợc không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã Do đó với mỗi phơngthức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định Ví dụ với phơng

thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N =

18dB.

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định đợc cho mỗi sóngmang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin đợc truyền đi và ph-

ơng thức điều chế sóng mang đợc sử dụng, những sóng mang con không

truyền tin sẽ có biên độ bằng 0 Đây là bớc xây dựng tín hiệu OFDM trong

miền tần số Để truyền đợc thì tín hiệu OFDM phải đợc chuyển về miền thờigian bằng IFFT Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiệnIFFT tơng ứng với một sóng mang con Các sóng mang con có biên độ bằngkhông sẽ đợc sử dụng nh dải bảo vệ

Hình 2-5 Tạo tín hiệu OFDM, giai đoạn IFFT

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)

Tín hiệu OFDM đợc tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ ở tần số cơ sở,tín hiệu này còn phải đợc nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyềndẫn Bớc này có thể áp dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số Cả

2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số có xu hớngchính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹthuật điều chế số cho giá trị pha chính xác hơn

Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

thuật tơng tự

Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)

Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM nhỏhơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn sóngmang Nếu sử dụng phơng thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng vớitốc độ bit Nh ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông

cho trớc ở trên chia cho N sóng mang con Do vậy tốc độ bit của một tín hiệu OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn

sóng mang Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khảnăng chịu ISI rất tốt

Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thốngOFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗi symbol Dải bảo vệcủa mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầuhoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó Thờng thì ngời ta haydùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó Khi đó khoảng bảo

vệ GI đợc gọi là CP (Cyclic Prefix) Chèn thêm dải bảo vệ làm thời giantruyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI Nh đã đề cập ởtrên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phầnsymbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn đợc liên tục, không có sựngắt quãng giữa các symbol Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi do sự

xê dịch thời gian ở máy thu

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian

Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng symbol

để lấy ra đợc biên độ và pha của sóng mang con Với các hệ thống OFDM cótốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thớc FFT phải nhnhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì đợc tính trực giao giữacác sóng mang con Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu đợc có thời gian

không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào vềmặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảngngăn cách nào giữa các symbol Tuy nhiên, trong thực tế không có kênhtruyền nào là lý tởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn Dảibảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha củacác sóng mang con trong tín hiệu thu đợc Lợng quay pha này tỷ lệ với tần sốcủa sóng mang con Giả sử lợng thời gian xê dịch là nh nhau với các symbolkhác nhau, khi đó lợng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng đợc loại bỏ bởibớc cân bằng kênh truyền Trong môi trờng đa đờng, dải bảo vệ càng lớn thìISI càng đợc loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian càng đợc giảm thiểu

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của một sóng mang con phải

đợc giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì đợc sựtrực giao giữa các sóng mang con Nếu biên độ và pha của sóng mang con bịbiến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con

không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất

hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa cácsóng mang con (ICI) Tại biên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi

đột ngột tới giá trị mới tơng ứng với symbol mới Trong môi trờng đa đờng,ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lợng giữa các symbol với nhau, do đó sẽ có sựthay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm bắt đầucủa symbol Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tại thời điểm bắt

đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và pha thực sự của nó Biên độ

và pha này sẽ liên tục thay đổi dới sự tác động của các thành phần đa đờng.Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn củakênh truyền Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiệnFFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi

nhận diện pha và biên độ sóng mang Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa ờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều cóthể đợc hiệu chỉnh bởi bớc cân bằng kênh truyền Việc chèn thêm dải bảo vệ

đ-đã giải quyết đợc phần lớn các ảnh hởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhngdải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không vợt quá phạm vi của

nó Trong thực tế, các thành phần đa đờng suy giảm rất chậm theo thời gian,trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thìhiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnhhởng của ISI lên tín hiệu thu

Hình 2-8 Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệHình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việctrong môi trờng đa đờng Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa đờngsuy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu Quan sát trong khoảng thờigian 16 mẫu, tơng đơng với 99% tổng năng lợng của các đáp ứng xung thunhận đợc Hình trên cho thấy tơng quan giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)hiệu dụng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm kênh truyền S/N hiệu dụng là tỷ số tínhiệu trên tạp âm tại máy thu sau bớc giải điều chế Nói một cách ngắn gọn, S/

N hiệu dụng đại diện cho chất lợng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đạidiện cho chất lợng kênh truyền Dễ thấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏhơn S/N kênh truyền, do S/N hiệu dụng còn phải chịu các ảnh hởng do hiện t-ợng đa đờng gây ra Ngời ta thờng dùng tỷ số lỗi bit (BER) để đánh giá chất l-ợng thông tin của một hệ thống Tuy nhiên ở đây ta xem xét hệ thống OFDMmột cách tổng thể, độc lập với phơng thức điều chế sóng mang nên ta dùng S/

N để đánh giá chất lợng thông tin của hệ thống BER ứng với một phơng thức

điều chế cụ thể sẽ đợc suy ra từ S/N hiệu dụng

Kết quả mô phỏng cho thấy, S/N hiệu dụng tỷ lệ với S/N kênh truyền.

Điều này là hợp lý bởi nếu chất lợng kênh truyền đợc cải thiện thì chất lợngthông tin thu đợc cũng sẽ đợc cải thiện Ta có thể nhận thấy, dải bảo vệ càng

lớn thì S/N hiệu dụng càng đợc cải thiện Với S/N kênh truyền bằng 45dB, nếu dải bảo vệ chỉ dài 4 mẫu thì S/N hiệu dụng bằng 15dB, trong khi nếu tăng dải bảo vệ lên 16 mẫu thì S/N hiệu dụng đạt tới 25dB Nh vậy dải bảo vệ càng lớn

thì năng lợng ISI bị lọc bỏ càng lớn Tuy nhiên với độ dài dải bảo vệ là 16mẫu nh trên thì ảnh hởng của ISI vẫn còn rất đáng kể Với cùng điều kiện vềtrễ truyền dẫn và độ dài dải bảo vệ, S/N hiệu dụng còn có thể đợc cải thiệnbằng cách sử dụng các phơng thức điều chế sóng mang đơn giản nh BPSK,QPSK Nhng nh thế đồng nghĩa với việc hiệu quả sử dụng phổ tần số sẽ thấphơn là dùng các phơng thức điều chế cấp cao khác Để đạt đợc hiệu quả sử

dụng phổ tần số cao, trong khi S/N hiệu dụng đạt mức 35dB thì độ dài tối thiểu của dải bảo vệ phải là 64 mẫu.

Trên cùng là kết quả mô phỏng của 2 hệ thống có cùng độ dài dải bảo vệ

là 64 mẫu, một hệ thống chạy 80 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là

128, và hệ thống còn lại chạy 320 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là

512 Nh vậy 2 hệ thống có cùng một băng thông Đáp ứng kênh truyền với hệ

thống 320 sóng mang bằng phẳng hơn nên cho SNR hiệu dụng cũng tốt hơn.

Tăng số sóng mang con sẽ cải thiện chất lợng thông tin của toàn hệ thống.Tuy nhiên, đến một mức độ nào đó thì tăng số sóng mang con lại làm giảmchất lợng thông tin Vấn đề này ta đã đề cập đến ở các mục trớc và sẽ còn tiếptục đợc làm rõ ở các mục sau

2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang :

Chèn dải bảo vệ sẽ làm chậm tốc độ symbol nhng không ảnh hởng đến sựphân cách giữa các sóng mang tại máy thu Khoảng cách giữa các sóng mangquyết định bởi tốc độ lấy mẫu và số điểm thực hiện FFT tại máy thu :

2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóngmang con dạng sin đã đợc qua điều chế Mỗi sóng mang con đợc đặt trongmột cửa sổ thời gian dạng chữ nhật Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDMsymbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đợc tạo ra Hình dới

đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phơngthức điều chế PSK Biên độ của sóng mang là không đổi, nhng pha thay đổitheo symbol Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha độtcủa sóng mang Kết quả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sựphân tán năng lợng giữa các symbol trong miền tần số

Hình 2-9 Dạng sóng trong miền thời gian của sóng mang con

Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM cha qua lọc Ta thấy với trờng hợp

tín hiệu gồm 1536 sóng mang con có sự suy giảm của các búp sóng phụ nhanh hơn trờng hợp 52 sóng mang con Tuy nhiên năng lợng của các búp sóng phụ

trong trờng hợp này vẫn rất còn đáng kể ở khá xa khối phổ của các búp sóngchính Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả

sử dụng phổ tần số Có 2 kỹ thuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụtới mức có thể chấp nhận đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cosnâng (raised cosin)

Hình 2-10 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con

Hình 2-11 Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con

2.4.1 Lọc thông dải

Khi tín hiệu số đợc chuyển sang dạng tơng tự để truyền dẫn thì bộ lọc

đ-ợc dùng để tránh “0”tạp” (aliasing) Tạp là hiện tợng tín hiệu sai xuất hiện khitín hiệu tơng tự đợc số hoá Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ đợc các búpsóng phụ của tín hiệu OFDM Lợng búp sóng phụ đợc lọc bỏ phụ thuộc vào

độ nhọn của bộ lọc đợc sử dụng Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác,

độ dốc đặc tuyến lọc cũng nh tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tơng tự Do

đó trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạndải tín hiệu Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bốphổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợcgọi là bộ lọc số Hình 2-12 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua

bộ lọc Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải

ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phơng pháp cửa sổ để tổng hợp Thực tế là

bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhng đồng nghĩa với nó làchi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNR hiệu dụng của hệ thống Hơn nữa,việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng lợng của các sóng mangcon ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con này và gây ra ICI Nh trênhình 2-13 ta có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lợng

ở búp sóng chính

Hình 2-12 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc

Hình 2-13 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều

dài cửa sổ bằng 3

Đến nay vẫn cha có những nghiên cứu đầy đủ về những ảnh hởng của lọcthông dải lên tín hiệu OFDM cũng nh sự giảm S/N hiệu dụng gây bởi quátrình lọc Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM đợc

đóng gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số Nhng cũng chính

nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, và những ảnh hởng này cần phải đợc

lu ý tới khi thiết kế hệ thống

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

Một trong những phơng pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ(các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symboldần về 0 trớc khi chuyển sang symbol khác Điều này tạo ra một sự chuyển

đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm đợc năng lợng của các búp sóngphụ Hình dới đây là cấu trúc của một OFDM symbol đợc chèn dải bảo vệdạng cos nâng (raised cosine)

Hình 2-14 Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau mà chỉ gây ramột lợng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết đợc Ưu điểm của việcchồng phổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăngthêm yêu cầu về dải thông cho symbol

Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng

3.1 Đồng bộ

Nh các bộ điều chế và giải điều chế số khác, hệ thống đa sóng mangOFDM cũng cần một cơ chế đồng bộ tin cậy OFDM truyền song song trên Nsóng mang con nên có độ dài symbol lớn, do đó ít bị ảnh hởng của độ dịch vềthời gian Nói cách khác, không giống nh hệ thống đơn sóng mang bị nhiễuISI bởi jitter, hiện tợng này không ảnh hởng tới tính chất trực giao của cácsóng mang trong hệ thống đa sóng mang Tuy nhiên độ dịch về tần số lại ảnhhởng nghiêm trọng đến hệ thống OFDM và chiếm một vai trò quan trọngtrong thiết kế hệ thống Nhiễu pha cũng cũng gây các ảnh hởng nghiêm trọngkhác tới hệ thống OFDM vô tuyến

3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM

Giả sử nhiễu giữa các tín hiệu clock là không đáng kể, một tín hiệuOFDM đợc truyền đi có thể đợc biểu diễn nh sau:

2 2

1

k N k k

N

N

nk j k

f

k t w e D t

hàm cửa sổ ở miền thời gian Tín hiệu thu đợc ở phía thu r(t) sẽ đợc lọc và lấy mẫu với tần số lấy mẫu là bội số của 1/T.

Tín hiệu ở đầu ra của máy thu FFT với giả thiết kênh truyền lý tởng đợcbiểu diễn nh sau:

T n f k

c

T

Nk f X y

vạch tại tần số  k/T và W(f) là biến đổi Fourier của hàm cửa sổ w(t).

Giả thiết tín hiệu lấy mẫu theo thời gian có độ dịch pha tơng đối  và độdịch pha này không đổi suốt trong một symbol, khi đó tín hiệu ở phía thu đã

đợc lấy mẫu có thể đơn giản hóa nh sau:

k

f

k t N

n

t N n j j n

1 0

2 2

2

1 N k

N n

k N

m j N

n j k N

n j n

e D D

N

n j m

N

k

m n N

k j N

n

N

n j n

0

2 1

0

Nh vậy, độ dịch pha theo thời gian hay độ méo pha của đờng bao không

ảnh hởng đến tính trực giao của các sóng mang con

Tuy nhiên, dịch tần số lại gây ảnh hởng nghiêm trọng đến tín hiệuOFDM Nó làm nhiễu giữa các sóng mang và do đó gây ra vi phạm tính trựcgiao của các sóng mang con Nh ở trên, ta đã có đợc biểu thức của tín hiệuanalog ở miền tần số dạng phổ vạch nh sau:

T n f k

c

T

Nk f X y

2 1

0

n

k f

f N n j k f

k t N

n

f f N n t j k

s

s

e D e

D y

k

f m n N

k j N

n n N

f j

f j n

e

e D

0 2

f n



Biểu thức trên cho thấy ngoài tín hiệu mong muốn còn có thành phầnnhiễu giữa các symbol của một vài sóng mang Hiện tợng này gây ra nhiễugiữa các sóng mang ICI (Inter-Carier Interference) và đây là một vấn đề quantrọng trong hệ thống OFDM