Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô của hệ thống thôngtin người ta có thể sử dụng một trong nhiều phương pháp ghép kênh hoặc có thể sửdụng phối hợp các phương pháp ghép kên
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Thu Thủy
Nguyễn Thu Phương
Trang 2LỜI GIỚI THIỆU
Như chúng ta đã biết ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thốngthông tin hiện đại Có nhiều phương pháp ghép kênh được phát minh và đưa vàoứng dụng Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô của hệ thống thôngtin người ta có thể sử dụng một trong nhiều phương pháp ghép kênh hoặc có thể sửdụng phối hợp các phương pháp ghép kênh để truyền thông tin từ nguồn đến đích.Trong bài báo cáo lần này, chúng em tìm hiểu về khái niệm, nguyên lý hoạt động,đưa ra một số ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng trong thực tế của hai kỹ thuật
ghép kênh là: kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM – FrequencyDivision Multiplexing), và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Báo cáo gồm 3 phần chính: Phần 1: Tìm hiểu về sự cần thiết phải ghép kênhPhần 2: Tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM – Frequency
Division Multiplexing)
Phần 3: Tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM –
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Trang 3MỤC LỤCLời giới thiệu
I Sự cần thiết phải ghép kênh 3
II Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM – Frequency Division Multiplexing)II.1 Giới thiệu về kỹ thuật FDM 4II.2 Nguyên lý của hệ thống FDM 4II.3 Phân cấp kỹ thuật FDM theo AT&T và ITU-T 7II.4 Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật FDM 8II.5 Một số ứng dụng của kỹ thuật FDM 9III Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Lịch sử về kỹ thuật OFDM 10
Sự phát triển của kỹ thuật OFDM 11
3.1 Giới thiệu về kỹ thuật OFDM 13
3.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 13
3.3 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 18
3.4 Tính trực giao (Orthogonal) 20
3.4.1 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM 21
3.5 Ứng dụng của OFDM 22
3.6 Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật OFDM 22
Tài liệu tham khảo
Trang 4I SỰ CẦN THIẾT PHẢI GHÉP KÊNH
Ghép kênh là quá trình ghép nhiều tín hiệu thành một tín hiệu để truyền đi xanhằm tiết kiệm tài nguyên truyền dẫn Thiết bị thực hiện việc này gọi là bộ ghépkênh (MUX), ở đầu thu, bộ tách kênh (DEMUX) thực hiện việc phân chia các kênhnày ra và đưa chúng đến đúng nơi nhận Nếu không thực hiện ghép kênh thì mỗimột tín hiệu (ví dụ một kênh thoại) sẽ được truyền trên một đường truyền vật lýriêng lẻ và do đó chi phí truyền dẫn cho từng tín hiệu sẽ tăng lên đồng thời mạnglưới truyền dẫn sẽ trở nên phức tạp và thiếu thẩm mỹ
Mô hình của một hệ thống ghép kênh đơn giản
Hình trên biểu diễn mô hình một hệ thống ghép kênh đơn giản Trong mô hìnhnày, bộ ghép kênh tiến hành ghép n tín hiệu đầu vào độc lập vào chung một đườngtruyền vật lý để truyền đi Tại đầu còn lại của đường truyền, khối tách kênh tiếnhành tách n tín hiệu thu được từ đường truyền chung thành n đường tín hiệu ra độclập tương ứng với các đầu vào Như vậy một đường truyền chung đã được sử dụngđể truyền dẫn n tín hiệu hay còn gọi là n kênh Ghép kênh số là kỹ thuật ghép kênhmà tín hiệu đầu vào khối ghép kênh và đầu ra khối tách kênh ở dạng số Nếu các tínhiệu ở dạng tương tự (ví dụ: tín hiệu thoại nguyên thủy), chúng phải được số hóatrước khi tiến hành ghép kênh Việc ghép kênh như vậy sẽ giúp tiết kiệm được chiphí thông qua việc tiết kiệm đường truyền Ngoài ra, nó còn làm cho hệ thốngtruyền dẫn đơn giản hơn, mỹ quan hơn
Có 3 phương pháp ghép kênh cơ bản bao gồm ghép kênh phân chia theo tần số(Frequency Division Multiplexing, viết tắt là FDM), ghép kênh phân chia theobước sóng (Wavelength Division Multiplexing, viết tắt là WDM) và ghép kênhphân chia theo thời gian (Time Division Multiplexing, viết tắt là TDM)
Trong báo cáo lần này chúng em sẽ tìm hiểu chi tiết về kỹ thuật ghép kênh phânchia theo tần số (FDM – Frequency Division Multiplexing), và một phương pháp
Trang 5đặc biệt của FDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
-II Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM – Frequency DivisionMultiplexing)
2.1 Giới thiệu về kỹ thuật FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là phương pháp phân chia nhiều kênhthông tin trên trục tần số Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếpnhau Trong FDM, tín hiệu được sinh ra mỗi khi thiết bị gửi điều chế các tần sốmang khác nhau Các tín hiệu đã điều chế sau đó được kết hợp thành một tín hiệuđơn có thể truyền đi qua một link Các tần số mang được phân chia theo băng thôngsao cho phù hợp với tín hiệu đã điều chế Băng thông được chia thành các kênhtheo phạm vi (range) để qua đó các tín hiệu khác nhau có thể đi qua Các kênh phảiđược phân tách bởi các dải băng thông không bao giờ được sử dụng (gọi là dải bảovệ - guard band) để ngăn cản sự chồng lấp giữa các tín hiệu
Hình 2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM)
Yêu cầu trong FDM là băng thông của môi trường truyền dẫn phải lớn hơn tổngbăng thông yêu cầu của từng kênh
2.2 Nguyên lý của hệ thống FDM
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống FDM được biểu diễn trên hình 2 Trong sơ đồ này,phía ghép kênh có n đầu vào Mỗi một đầu vào (ở đây giả sử là đầu vào thứ i)tương ứng với một tín hiệu tương tự mi(t) có độ rộng băng tần là Bi Tín hiệu mi(t)
được đưa tới bộ điều chế sóng mang có tần số sóng mang là là fi để tạo thành tín
Trang 6hiệu si(t) Sau đó các tín hiệu si(t) được ghép chung lại với nhau để tạo thành tínhiệu điều chế băng tần gốc tổng hợp, mb(t) Như vậy:
i=1
n
si(t)
mb(t) đã có thể được xem là tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số Phổ của tín
hiệu mb(t) được biểu diễn trên hình 3 Thông thường, trước khi phát ra môi trườngtruyền dẫn, có thể đưa tín hiệu mb(t) qua một máy phát để trộn nâng tần lên tần số fc
mong muốn và tạo ra tín hiệu s(t) s(t) cũng là tín hiệu FDM như mb(t) nhưng nằm ở
tần số cao hơn
a Bộ ghép kênh FDM
b Bộ tách kênh FDMHình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống FDM
Trang 7Hình 2.3 Phổ tần của tín hiệu FDM
Tại đầu tách kênh, tín hiệu thu được từ đường truyền là s(t) được đưa vào máythu để tiến hành trộn hạ tần nhằm loại bỏ thành phần tần số cao fc và cho ra tín hiệu
mb(t) Tín hiệu mb(t) được chia thành n đường song song và giống nhau Mỗi đường
như vậy đưa đến một bộ lọc thông băng tương ứng Tần số trung tâm và băng thôngcủa các bộ lọc này lần lượt là f1, f2,…, fn và B1, B2,…, Bn Tại bộ lọc thứ i, chỉ có tínhiệu có tần số fi với băng thông Biđược đi qua Các tín hiệu khác đều bị chặn lại.Do vậy, đầu ra của bộ lọc thứ i là các tín hiệu si(t) Các bộ giải điều chế sẽ tiến
hành loại bỏ các thành phần sóng mang con của các tín hiệu si(t) và kết quả là
chúng ta thu được các tín hiệu mong muốn mi(t)
Thông thường, phương pháp điều chế đơn biên (AM-SSB) được sử dụng tại cácbộ điều chế sóng mang Hình 4 biểu diễn một ví dụ về FDM sử dụng AM-SSB choba kênh thoại Một tín hiệu thoại nguyên thủy có băng tần từ 300 Hz đến 3400 Hzvà được quy chuẩn từ 0 đến 4 KHz (hình 4a) Khi tiến hành điều chế AM-SSB tínhiệu thoại thứ nhất, m1(t), với tần số sóng mang con là f1 = 64 KHz, ta được haibiên tần trên và dưới như biểu diễn ở hình 4b Để có được tín hiệu AM-SSB, mộtbiên tần sẽ bị loại bỏ, ở đây là biên tần trên, và do đó chỉ còn một mình biên tầndưới nằm ở băng tần 60 KHz đến 64 KHz Đây chính là tín hiệu s1(t) Tương tự như
vậy, ta tiến hành điều chế AM-SSB (lấy biên tần dưới) tín hiệu thoại thứ hai, m2(t),
với tần số sóng mang con là f2 = 68 KHz, ta được tín hiệu s2(t) nằm ở băng tần 64
KHz đến 68 KHz; điều chế AM-SSB (lấy biên tần dưới) tín hiệu thoại thứ ba, m3(t),
với tần số sóng mang con là f3 = 72 KHz, ta được tín hiệu s3(t) nằm ở băng tần 68
KHz đến 72 KHz
Trang 8Hình 2.4 Ví dụ về FDM sử dụng AM-SSB cho ba kênh thoại.
2.3 Phân cấp (Hierarchy) FDM theo AT&T và ITU-T
Phân cấp FDM theo AT&T được chia thành 3 nhóm:- Một nhóm cở sở (Basic Group) bao gồm 12 kênh thoại 4kHz, có băng thông
là 48kHz, dải tần từ 60kHz tới 108kHz - Một siêu nhóm (Super group) là FDM các tín hiệu của 5 nhóm bao gồm 60
kênh thoại, dải tần từ 420kHz tới 612 kHz - Một nhóm chủ (Master group) là FDM các tín hiệu của 10 siêu nhóm bao
gồm 600 kênh thoại FDM là phương pháp ghép kênh cổ điển nhất Nó được các công ty điện thoạiđưa và sử dụng từ những năm 1930 và sau đó dần dần được thay thế bởi kỹ thuậtTDM từ những năm 1960 Với các hệ thống thông tin viễn thông hiện nay, cácnguồn tin nói chung đều được số hóa, vì vậy phương pháp FDM không còn phùhợp
Trang 92.4 Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật FDM
- Ưu điểm:
Tăng khả năng sử dụng tài nguyên băng tần: FDM cho phép truyền nhiều tín
hiệu khác nhau trên cùng một đường truyền, giúp tối đa hóa khả năng sửdụng tài nguyên băng tần
Giảm chi phí: Kỹ thuật FDM giúp giảm chi phí so với việc sử dụng nhiều
đường truyền riêng biệt để truyền các tín hiệu khác nhau
Dễ triển khai: Các thiết bị FDM như các bộ khuếch đại, bộ lọc và bộ ghép
kênh được thiết kế đơn giản, dễ dàng triển khai và bảo trì.- Nhược điểm:
Độ trễ tín hiệu: Việc phải chia sẻ băng tần cho nhiều tín hiệu có thể dẫn đến
độ trễ tín hiệu tăng lên, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu truyền
Sóng điện từ: Sự kết hợp của nhiều tín hiệu trên cùng một đường truyền có
thể dẫn đến nhiễu sóng điện từ, ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệutruyền
Khó điều khiển: Việc phân chia băng tần phải được thực hiện chính xác, khó
điều khiển trong việc phân bố băng tần cho từng kênh tín hiệu. Có méo xuyên điều chế xảy ra trong FDM
Cần có một số lượng lớn các bộ điều chế và bộ lọc hệ thống trong FDM. FDM cung cấp ít thông lượng hơn
Không thể sử dụng toàn bộ băng thông của một kênh trong hệ thống ghépkênh phân chia theo tần số
Khả năng chống nhiễu kém
Trang 102.5 Một số ứng dụng của kỹ thuật FDM
FDM được sử dụng rộng rãi trong viễn thông để truyền tín hiệu giữa các trạm,trong việc truyền tín hiệu truyền hình, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu điện thoại.Dưới đây là một số ứng dụng chi tiết của FDM trong viễn thông:
- Trước đây, FDM được sử dụng trong các hệ thống liên lạc điện báo điều hòavà trong hệ thống điện thoại di động
- FDM thường được sử dụng trong các mạng truyền hình.- FDM được sử dụng trong Đài phát thanh truyền hình Mỗi Đài phát thanh có
băng tần của nó Khi chúng ta bật radio thì tín hiệu từ tất cả các đài phát thanhsẽ đến trên đài của chúng ta Chúng ta có thể chọn dải tần bằng cách xoay númđể kết nối bộ đàm của mình với một đài phát thanh cụ thể
- Hệ thống ghép kênh phân chia tần số được sử dụng trong hệ thống điện thoại.FDM giúp truyền nhiều cuộc gọi điện thoại qua một đường truyền hoặc mộtliên kết đơn
- Trong hệ thống kết nối băng thông rộng, FDM cũng được sử dụng Hệ thốngFDM được sử dụng trong Đường dây thuê bao số hoặc Modem DSL, giúptruyền tải một lượng dữ liệu máy tính truy cập Internet khổng lồ qua mộtđường truyền duy nhất Đây là một ứng dụng rất quan trọng của FDM.- FDM được sử dụng trong các hệ thống điều chế tần số âm thanh nổi hoặc hệ
thống truyền FM.- FDM cũng được sử dụng trong điều chế biên độ hoặc hệ thống truyền dẫn vô
tuyến AM.- Hệ thống ghép kênh phân chia tần số hoặc hệ thống FDM được sử dụng cho
dữ liệu đa phương tiện như truyền video, âm thanh, hình ảnh
- Truyền tín hiệu điện thoại : FDM được sử dụng để truyền tín hiệu điện thoại
giữa các trạm Các kênh tín hiệu điện thoại được ghép kênh theo tần số vàtruyền qua một đường truyền duy nhất, giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyênbăng tần và tăng cường hiệu suất của mạng viễn thông
- Truyền tín hiệu truyền hình : FDM cũng được sử dụng trong truyền tín hiệu
truyền hình Các kênh tín hiệu video và âm thanh được ghép kênh theo tần sốvà truyền qua một đường truyền duy nhất, giúp tối đa hóa khả năng sử dụngtài nguyên băng tần và giảm chi phí cho hệ thống truyền hình
- Truyền dữ liệu : FDM được sử dụng trong truyền dữ liệu giữa các trạm viễn
thông Các kênh tín hiệu dữ liệu được ghép kênh theo tần số và truyền qua
Trang 11một đường truyền duy nhất, giúp tối đa hóa khả năng sử dụng tài nguyên băngtần và tăng cường tốc độ truyền dữ liệu.
- Cải tiến mạng viễn thông : FDM được sử dụng để cải tiến mạng viễn thông
bằng cách tối đa hóa khả năng sử dụng tài nguyên băng tần Việc sử dụngFDM giúp tăng cường hiệu suất của mạng viễn thông và giảm chi phí cho hệthống truyền thông
- Truyền tín hiệu từ xa : FDM cũng được sử dụng để truyền tín hiệu từ xa, như
trong các hệ thống viễn thông vệ tinh Việc sử dụng FDM giúp tối đa hóa sửdụng tài nguyên băng tần và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và suy giảm tínhiệu Hơn nữa, FDM còn cho phép chọn các tần số trống để truyền tín hiệu,giúp tối đa hóa khả năng truyền tín hiệu từ xa Ngoài ra, FDM còn được kếthợp với các kỹ thuật khác như MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) đểtăng cường khả năng truyền tín hiệu từ xa MIMO là một kỹ thuật sử dụngnhiều anten trên cả bộ phát và bộ thu để tăng cường khả năng truyền tín hiệu.Khi kết hợp với FDM, MIMO giúp tăng cường khả năng truyền tín hiệu từ xabằng cách sử dụng tối đa các tần số trống và tối ưu hóa sử dụng tài nguyênbăng tần
III.Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM – OrthogonalFrequency Division Multiplexing)
Về lịch sử OFDM
Mặc dù kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 1950 Nhưng do việcđiều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, việc tách các sóng phụ quáphức tạp và thiếu các thiết bị phục vụ cho việc thực hiện kỹ thuật nên hệ thốngchưa phát triển vào thời điểm đó Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuậtOFDM đã được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fouriernhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDM, kỹ thuật OFDM được ứngdụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM đượcnghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động.Và những năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộngnhư HDSL, ADSL, VHDSL sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phátthanh số DAB và truyền hình số DVB Trong những năm gần đây, OFDM đã đượcsử dụng trong các hệ thống không dây như IEEE 802.11n (Wi - Fi) và IEEE802.16e (WiMAX) và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động
Trang 12Sự phát triển của OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM
Như đã tìm hiểu ở mục II, kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (FrequencyDivision Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiềukênh tín hiệu để truyền qua một đường dây điện thoại Mỗi kênh được xác địnhbằng một tần số trung tâm và các kênh được phân cách bởi các dải bảo vệ nhằmđảm bảo phổ của mỗi kênh không chồng lấn lên nhau Dải bảo vệ này là nguyênnhân dẫn tới việc sử dụng băng thông không hiệu quả trong FDM
Hình sau mô tả việc sử dụng băng thông trong hệ thống FDM
Truyền dẫn đa sóng mang
Truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) là một dạng FDMnhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng.MC được dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song Luồngdữ liệu cần truyền được chia ra làm nhiều luồng dữ liệu con Sau đó, các luồng dữliệu con này được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp - song song và được truyền songsong trên nhiều sóng mang khác nhau (mỗi luồng con được truyền trên một sóngmang) với tốc độ truyền thích hợp, nhưng tốc độ truyền dữ liệu trên các sóng mangcon phải thấp hơn nhiều lần tốc độ truyền ban đầu Tốc độ dữ liệu tổng thể là tổngcủa các tốc độ dữ liệu trên tất cả các kênh con Dạng MC đơn giản nhất chia luồngdữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền N luồng nàyđiều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênhtruyền Ở phía thu thì làm ngược lại phân kênh, giải điều chế, và ghép các luồng dữliệu song song thành một luồng duy nhất như ban đầu N được chọn sao cho độrộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền