kỹ thuật lưu lượng trong ofdm

Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đờng bao 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

Mở đầu 1

Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số 3

1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 3

1.1.1 Tín hiệu số 3

1.1.2 Mã đờng dây Line Code 4

1.2 Truyền dẫn BroadBand 9

1.2.1 Amplitude Shift Keying 9

1.2.2 Frequency Shift Keying 11

1.2.3 Phase Shift Keying 13

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 15

1.3 Giới thiệu về OFDM 16

Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 22

2.1 Trực giao trong OFDM 23

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 27

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 28

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 29

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 30

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 31

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 32

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) 33

2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 35

2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 36

2.4.1 Lọc thông dải 37

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 39

Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng 40

3.1 Đồng bộ 40

3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 40

3.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 43

3.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 44

3.1.4 Ước lợng dịch tần số 45

3.2 Cân bằng 46

3.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 46

3.2.2 Cân bằng trong miền tần số 48

3.2.3 Khử tiếng vọng 51

Chơng 4 M hóa kênhã 57

4.1 Mã hóa khối trong OFDM 57

4.2 Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding) 60

4.3 Mã hóa mắt lới (Trellis Coding) 64

4.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 67

Chơng 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến 69

5.1 Phát thanh số DAB 69

5.1.1 Giới thiệu 69

5.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 71

5.2 Truyền hình số DVB 73

5.2.1 Giới thiệu 73

5.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 75

5.3 Mạng LAN không dây (Wireless LAN) 79

Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến 83 6.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 83

6.1.1 Giới thiệu ADSL 83

6.1.2 Đặc tính của kênh truyền 84

6.1.3 Hệ thống ADSL 87

6.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC 89

6.2.1 Giới thiệu PLC 89

6.2.2 Đặc tính của kênh truyền 90

6.2.3 Hệ thống PLC 93

Kết luận 95

Một số thuật ngữ dùng trong đồ án 97

Tài liệu tham khảo 100

Mở đầu

Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh 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 các giải pháp thích hợp để thực hiện Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp OFDM đã đợc sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và ứng 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 thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác 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 liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng 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 hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến 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 bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC Song song với 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 mã hóa

- 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 Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếu sót, 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 tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

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 công nghiệp 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 thành công 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 phổ vô 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 Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line Code với mục đích:

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 hợp thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ

chênh lệch giữa các bit 0 “ ” và các bit 1“ ” trong một từ mã Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc ?Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó

tăng độ rộng băng 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 đờng truyền có băng tần hạn chế Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín hiệu 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 trọng của 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

Các số nhị phân “0” và “1” truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín hiệu 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

- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại

đó mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth).

Dựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang)

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

2.0488.44834.368139.264564.992

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

+V (ký hiệu là “+”), -V (ký hiệu là “-”) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức

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

-VHình 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 hiện hai 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) trớc khi truyền Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit đợc thực hiện bằng cách cộng modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence) Phía thu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng modul-2 chuỗi 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 mức điện áp - và + tơng ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb

1 1 0 1 0 0 1

t +V

Binary

Code Mark Inversion

-VHình 1-3 Dạng tín hiệu CMI

Nh vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t’CLK = 2tCLK đợc mã hóa nh sau: bit 0 tơng ứng với 01 còn bit 1 tơng ứng với bit 00 và 11 luân phiên 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 tổ hợp 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 cực tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực Nh vậy trong dòng mã HDB3 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 để tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp Nhng cách thay thế các bit 0 của BnZS 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 với kênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp 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 và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là các tín hiệu băng hẹp Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn Mặc dù có nhiều phơng thức điều chế, nhng việc 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 Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đợc sử dụng trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying) Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đờng bao 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 vc(t) theo tín hiệu số vd(t)

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:

1 3

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

w t

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

2

cos 2 1

0 0

0 0

+ +

+

−

−

− + +

− +

=

t w w t

w w

t w w t

w w t

w t

v

c c

c c

c ASK

π

Nh vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang wc, thành phần mang tin tức wc ± w0 và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7

Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASKASK có thể đợc điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2k Khi

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 chế không 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 sóng mang đi một lợng nhất định tơng ứng với tín hiệu số đa và điều chế Trong FSK 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

w t

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

+ +

+

−

−

− + +

− +

+

+ + +

+

−

−

− + +

− +

=

⇒

t w w t

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

π

π

Nh vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh dạng phổ của tín hiệu ASK nhng với hai thành phần sóng mang có tần số f1 và f2, và khoảng cách giữa chúng là fs.

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 các chuẩn V21, V22, V24

1.2.3 Phase Shift Keying

Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng mang 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

cos 0

1

Nh vậy nếu biểu diễn tín hiệu số vd(t) dới dạng lỡng cực ta có biểu thức:

( )t v ( ) ( )t v t

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

1 3

cos 3

1 cos

4

0 0

w t

cos

4

0

0t w t w t w

t w t

v t v t

cos cos

2

0 0

0 0

+ +

+

−

−

− + +

−

=

t w w t

w w

t w w t

w w t

v

c c

c c

Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSKPSK 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 thể coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơng ứng 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 phía thu

Hình 1-11 QAM - 16 mức

Điều chế QAM cho phép tăng dung lợng kênh thông tin, nhng không làm tăng dải thông của kênh truyền Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc

độ cao

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 sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu Để phía thu có thể tách đợc các tín 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 băng thông 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 tin

riêng rẽ, các sóng mang sẽ đ ợc điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tin tốc độ cao Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó đợc chuyển 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 sử dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu

phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản 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 sóng mang con Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu inter-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 của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang Trớc khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao mặc 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 “Kinepiex” Hệ thống Kinepiex đợc phát triển bởi Collins 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 để cách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và

có khả năng phân tách ra ở máy thu Hệ thống đa sóng mang này đợc gọi tên

là Multi-tone

Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng mang và phát hiện tơng quan ở phía thu Khoảng các giữa các sóng mang bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u Hệ thống này còn 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 chia tín 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 phía thu, bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đợc Phơng pháp điều chế OFDM này 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

đổi Fourier nhanh FFT Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog2N phép nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng Hiệu quả của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này không phải là bắt buộc Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợc nghiên cứu 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 ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu

đ-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 lựa chọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao

Information

source

Outer Decoding

Inner coding

Modula tion

Cyclic ext Pulse shaping Zero padding

Symbol level Freq Interleaver

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 Frequency Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số Trong mạng đơn tần nhiều trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng

một vùng rộng lớn trên cùng một tần số ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ nhiều trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây ảnh hởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.

Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng LAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với chu 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 nhiều ứng 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 đi trên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền dẫn đơn sóng mang Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số Tất cả các trạm phát đồng thời nhng 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 số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt đợc tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mang khác Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có một 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 có thể 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 số N n sóng mang con (N n có thể điều chỉnh đợc tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang sử dụng trong FDM N n sóng mang con này tạo thành một nhóm,

các nhóm nh vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóng mang con trong một nhóm đợc đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm

mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng đợc bảo đảm Việc chồng phổ này làm tăng

đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau nên 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

bit đợc truyền một cách song song Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dới dạng các khối phổ riêng rẽ Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các sóng 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 Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin đợc truyền đi trên kênh truyền thông thờng mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thông tin Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian Trong suốt thời gian truyền một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng Các bản tin có thể đợc xem nh là đã trực giao với nhau, trực giao về mặt thời gian Kỹ thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu

OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các

symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Nh vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy cấu 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 mang con trong miền thời gian Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóng mang con và kết quả FFT của nó

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

T j i

ji

ji

C dtt st

s

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

T t t

kf t

sk

0

,

2,1 0

) 2

sin(

Trong đó:

f0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con

N số sóng mang con trong một symbol ?

T thời gian tồn tại của symbol Nf0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol

Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điều chế sẽ giống nh hình sau Lu ý rằng nếu các sóng mang con trên cha đợc điều chế thì dạng 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 tâm của sóng mang con khác thì bằng 0

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi đợc biểu diễn bởi một dạng

mang này thờng có dạng hình sin Sau khi đợc điều chế tin tức, trong sóng mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số

với một tần số khác đợc cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này có đợc

bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian Về mặt lý thuyết, để đạt đợc giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (-∞ ữ ∞), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm Không một hệ thống kỹ thuật nào có thể làm đợc điều này Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục đợc dạng sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm đợc gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete Fourier Transform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó đợc gọi là phép biến đổi Fourier ngợc.

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

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 con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0 ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục mà là

con không ảnh hởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng mang con tơng ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng mang 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, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tơng tự Tại

khối phát, dữ liệu số sau khi đợc điều chế vào các sóng mang đợc đem đi thực hiện 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 một dạng 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 các sóng 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 các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian Lu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ 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 từ anten 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 thống OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 – 4000 bits, do đó bớc chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóng mang con Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM, nh vậy mỗi sóng

mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bit thông tin trên một symbol sẽ là 4ì100 = 400 (bits) Chú ý rằng nếu ta dùng phơng thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên từng 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 nối tiếp nh ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị

phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu nh cụm bit lỗi này 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 cải thiện 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 không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và nh vậy ta đã tránh đợc các cụm bit lỗi lớn Do đó ở hầu hết 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 song song Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thông tin 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 các sóng 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 Trong quá 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 phơng thức 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 sóng mang 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 thời gian bằng IFFT Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tơng ứng với một sóng mang con Các sóng mang con có biên độ bằng không 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 truyền dẫn 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 hớng chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ thuật 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 nhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang Nếu sử dụng phơng thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với tốc 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 khả năng chịu ISI rất tốt.

Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗi symbol Dải bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó Thờng thì ngời ta hay dùng 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 gian

trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn đợc liên tục, không có 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 có tốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thớc FFT phải nh nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì đợc tính trực giao giữa các 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 về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các symbol Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý tởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của

của sóng mang con Giả sử lợng thời gian xê dịch là nh nhau với các symbol

khác nhau, khi đó lợng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng đợc loại bỏ bởi bớc cân bằng kênh truyền Trong môi trờng đa đờng, dải bảo vệ càng lớn thì ISI 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 sự trực giao giữa các sóng mang con Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị biến 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 các sóng 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 sự thay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm bắt đầu của 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 của kênh truyền Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện FFT 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 đ-ờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có thể đợc hiệu chỉnh bởi bớc cân bằng kênh truyền Việc chèn thêm dải bảo vệ

đã giải quyết đợc phần lớn các ảnh hởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhng dải 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 thì hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnh hởng 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 việc trong môi trờng đa đờng Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa đờng suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu Quan sát trong khoảng thời gian 16 mẫu, tơng đơng với 99% tổng năng lợng của các đáp ứng xung thu nhận 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 tín hiệu 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 đại diện cho chất lợng kênh truyền Dễ thấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ hơn 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 OFDM một 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 lợng thông 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 16 mẫu nh trên thì ảnh hởng của ISI vẫn còn rất đáng kể Với cùng điều kiện về trễ truyền dẫn và độ dài dải bảo vệ, S/N hiệu dụng còn có thể đợc cải thiện bằng 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 thấp hơn 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 giảm chất lợng thông tin Vấn đề này ta đã đề cập đến ở các mục trớc và sẽ còn tiếp tục 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 sự phân cách giữa các sóng mang tại máy thu Khoảng cách giữa các sóng mang quyết 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 sóng mang con dạng sin đã đợc qua điều chế Mỗi sóng mang con đợc đặt trong một cửa sổ thời gian dạng chữ nhật Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol, 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 phơng thức điều chế PSK Biên độ của sóng mang là không đổi, nhng pha thay đổi theo symbol Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột của sóng mang Kết quả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự phân 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 sóng chính 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 phụ tới mức có thể chấp nhận đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (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 “tạp” (aliasing) Tạp là hiện tợng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệu tơng tự đợc số hoá Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ đợc các búp sóng 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 hạn dải tín hiệu Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố phổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợc gọi 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 là