OFDM - OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUY CẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY - 2 potx

Bảng các từ viết tắt Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang. 1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích. Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9] Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. Bảng các từ viết tắt OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: ))((2 1 0 1 )( LNlTtπkj l N- k l,k s ea N tS      Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) Khoảng cách sóng mang nhánh là s NTT 11  Bảng các từ viết tắt Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang . Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu Bảng các từ viết tắt giữa các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao. Hình 1.9: Các sóng mang trực giao Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix). Bảng các từ viết tắt Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc. 1.5.1 Trực giao miền tần số Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang. Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (T FFT ). Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/T FFT Hz. Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT). 1.5.2 Mô tả toán học của OFDM Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền. Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis). Bảng các từ viết tắt Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:        1 0 )( ).( 1 )( N n ttj cs cn etA N tS  (1.1) Trong đó,  =  0 + n.   Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:          1 0 0 . 1 )( N n nkTnj ns eA N kTS  (1.2) Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu. Ta có mối quan hệ:  = N.T Khi  0 = 0 thì ta có:       1 0 )( . 1 )( N n kTnj j ns eeA N kTS n  (1.3) So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:           1 0 /2 1 )( N n Nnkj e NT n G N kTg  (1.4) Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:  11  NT f Bảng các từ viết tắt Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier. Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau. Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức: )exp()( tjt kk   t k k  2 0  (1.5) Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong biểu thức (1.1):      b a tqpj b a qp abdtedttt )()()( /)(2  khi p = q   0 /)(2 /)(2       qpj dte bqpj khi p =q và (b-a) = τ (1.6) ( p,q là hai số nguyên) Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/  , đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn  . Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với Bảng các từ viết tắt một dải phụ. Dải tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol. Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau. Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T cp . Lúc này tín hiệu được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:     1 0 )(.)( N k kk txts (1.7) Ở đây Ф k (t) tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao. tkfj kk eAt 1 2 )(    Lúc này, CP TTN w f   1 1 Một sự lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha: CP Tkfj CP k e TT A 1 2 1     Dải bảo vệ ( CP) Phần hữu ích của tín hiệu T cp T T g = N/W Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM Bảng các từ viết tắt Do đó,          ),0[0 ),0[ 1 )( )(2 1 Tt Tte TTt CP Ttkfj CPk   (1.8) Và tín hiệu cuối cùng:        l N k klk lTtxtS 1 0 , )()(  (1.9) Như vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách sóng mang tương đương với tốc độ bit của bản tin. Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo thành góc 90 o ) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0. Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0 Hàm số thông thường có giá trị bằng 0. Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau: . mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng. mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: ))( (2 1 0 1 )( LNlTtπkj l N- k l,k s ea N tS      Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong. trực giao cho phép truy n tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì