Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

Nguyªn lý & øng dông cña OFDM

Mở đầu

Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hếtsức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫnthông tin Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất caosong cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện OrthogonalFrequency Division Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chếcho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợngthấp OFDM đã đợc sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đờng dâythuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các u điểmcủa mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và ứng dụng trong cáclĩnh 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 Kỹthuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con vớicác sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyềnmột dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độthấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóngmang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trựcgiao 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 sóngmang 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 gọi chung 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 hạnchế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Năm 1971Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹthuật này Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứngdụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tínhiệu số và kỹ thuật vi xử lý

ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹthuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờngdây 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 cónhững nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM Nội dung của đồ án đềcập tới các vấn đề:

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

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

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

Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tậntình giúp 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 Mã 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 côngnghệ vi điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đờisống xã hội Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộccách 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 trữmột cách mạnh mẽ và linh hoạt ở đây xin đề cập đến một khía cạnhrất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó làtruyền dẫn số

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 thểtruyền dẫn đi xa Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sởBaseBand cần mã đờng truyền Line Code 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 dotăng số bit Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúctheo 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 thànhphần 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

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 băngtần 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 xácsuất 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 tínhrất 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 truyềnthích 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

t-ơng 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

-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 âmxung hoặc xuyên âm sẽ gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xungvào, 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 vớimột chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence) Phíathu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cáchcộng 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 tránhmất đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit

1 1 0 1 0 0 1

t +V

Binary

Code Mark Inversion

-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI

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) tuântheo luật mã lỡng cực sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp đểtránh 2 bit V kề nhau cùng cực tính, còn bit V (Violation) vi phạm luậtmã lỡng cực Nh vậy trong dòng mã HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liêntiếp 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 thếcác bit 0 của BnZS khác với HDB3:

B2ZSB3ZSB4ZSB6ZSB8ZS

00000000000000000000000

0V0VB0V0B0VB0VB000VB0VB

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 chếdịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần sốFSK (Frequency Shift Keying)

1.2.1 Amplitude Shift Keying

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

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

w t

cos 3

1 cos

cos 2

cos 2

1

0

w t

w t

v

t v t v t

v

c c

c ASK

d c ASK



Mặt khác ta có

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

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 chỉthích 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 điềuchế Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khácnhau:

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

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

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 độthấp theo các chuẩn V21, V22, V24

1.2.3 Phase Shift Keying

Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính phacủa sóng mang để điều chế tin tức Xét trờng hợp đơn giản với PSK haitrạng thái

t v v

or t

w

t w v

t

v

c

c PSK c

c PSK

d

 cos

cos 0

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

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

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 vìphơng pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điềuchế tín hiệu Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điềuchế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn Ngời ta th-ờng 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, nhngkhông làm tăng dải thông của kênh truyền Do đó QAM thích hợp chocác ứng dụng tốc độ cao.

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency DivisionMultiplexing) đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tínhiệu tốc độ chậm, ví dụ nh điện báo, qua một kênh có băng thông rộngbằng cách sử dụng các sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tínhiệu 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 củacác tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băng thông và do đó hiệusuất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp

Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền cácbản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhaucủa một bản tin tốc độ cao Bản tin này có thể ở dạng song song hoặcnối tiếp sau đó đợc chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trêncác sóng mang

Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóngmang sử dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sửdụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao Mỗi sóngmang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bảntin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin đợc truyền bởi một sóngmang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mangcần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con Mặtkhác 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 giandài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang Trớc khiphát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng đểtruyền dẫn tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụngbăng 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 đợcphát 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 nhữngkhoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và có khả năng phântách 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 mỗisóng mang và phát hiện tơng quan ở phía thu Khoảng các giữa cácsóng 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 miềntần số

Add

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 dụngbiến đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu Kỹ thuậtnày phân chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức Sử dụng biến đổiFourier ngợc IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối vàtruyền nối tiếp Tại phía thu, bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổiFourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đ-

ợc Phơng pháp điều chế OFDM này đợc đề cập đến với cái tên Điềuchế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone) Phổ của tín hiệu DMTtrên đờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu điều chế QAM vớikhoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu nh đã đềcập 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

Filter Sample Block

có thể thực hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N sốphức ban đầu Biến đổi IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N

số thực để truyền đi đại diện cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N sốphức

Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quảcủa biến đổi Fourier nhanh FFT Một phép biến đổi FFT cho N điểm

thông thờng Hiệu quả của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừacủa 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 bộcân bằng.

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợcnghiên 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 hóasản phẩm chúng cha đợc tiêu chuẩn hóa DMT đã đợc chấp nhận làchuẩn cho truyền số liệu qua đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) Kỹ thuật này cho phép truyền dữliệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồngthông 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 tínhchống lại ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chốnglại pha đinh lựa chọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chếOFDM 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 độtin cậy cao

Information

source

Outer Decoding

Inner coding Modulation

Cyclic ext Pulse shaping Zero padding

Symbol level Freq Interleaver

Bit level Interleaver IFFT

Frequency/Time Selective fading Channel, AWGN

Channel

Estimation

FFT DeModulation DeInterleaverBit level Inner DecodingSoft decision

Symbol level Freq DeInterleaver

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 (SingleFrequency Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số Trong

mạng đơn tần nhiều trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệumột 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 trongmạng LAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyềndẫn là nhỏ nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thờigian trễ là lớn so với chu kỳ symbol Trong trờng hợp này, kỹ thuật điềuchế đa sóng mang OFDM đợc sử dụng

Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trongnhiều 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 kỹthuật 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 vàophơng thức truyền dẫn đơn sóng mang Một ví dụ đơn giản của FDM làviệc 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 cáctrạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau Dải thông cáctín 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 cácsóng mang khác Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có mộtkhoảng tần số không đợc sử dụng để truyền tin tức Sau khi qua bộlọc, 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 miềntần số

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

của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM Kháiniệm 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

sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM.Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm nh vậy, sốsóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóng mang controng 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 sóngmang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà khônggây ra ICI do tính trực giao giữa chúng đợc bảo đảm Việc chồng phổnày làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mangvới 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 vớinhau nên chỉ sử dụng phơng thức điều chế số Một ký tự (symbol)OFDM đợc hiểu là một nhóm các 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 trựcgiao trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo

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 Mấttính 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 liênquan 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 bảntin 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 thờicác bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng Các bản tin cóthể 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 bằngcách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảngtrống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu

OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào mộttập các sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽbằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Nh vậy,trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lầnchu kỳ khác nhau Nh vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khácnhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhng chúng vẫnkhông gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy cấu trúc của một tínhiệu OFDM với 4 sóng mang con

Hình 2- Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDMTrong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thànhphần, với số chu kỳ tơng ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóngmang con này đều bằng 0 Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tơng ứng là FFTcủa các sóng mang con trong miền thời gian Hình (4a) và (4b) cuốicùng 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 trựcgiao với nhau nếu chúng thoả mãn :

t s t s

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

T t t

kf t

,

2 , 1 0

) 2 sin(

)

Trong đó:

N số sóng mang con trong một symbol

T thời gian tồn tại của symbol

Nf 0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong mộtsymbol

Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điềuchế 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 tạitần 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 sốtrung tâm của sóng mang con khác thì bằng 0

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi đợc biểu diễn bởi mộtdạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóngmang Sóng mang này thờng có dạng hình sin Sau khi đợc điều chếtin tức, trong sóng mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà làmột tổ hợp gồm: tần số trung tâm của sóng mang và các hài Mức tơng

đối của một tần số khi so sánh với một tần số khác đợc cho bởi phổ

điện áp hoặc dòng điện Phổ này có đợc bằng phép biến đổi Fourierdạng sóng mang trong miền thời gian Về mặt lý thuyết, để đạt đợc giátrị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miềnthời gian (-  ), 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 sóngmang mà không làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fouriertại 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 từphổ của nó đợc gọi là phép biến đổi Fourier ngợc.

Nh đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóngmang con 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 sốtrung tâm của sóng mang con Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnhtại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng

mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trongnhóm 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 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 chồngphổ của các sóng mang con không ảnh hởng đến máy thu Giá trị đỉnhcủa một sóng mang con tơng ứng với giá trị 0 của các sóng mang conkhác, 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 máythu, (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 trongmiền tơng tự Tại khối phát, dữ liệu số sau khi đợc điều chế vào cácsóng mang đợc đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trựcgiao giữa các sóng mang Trong thực tế ngời ta dùng phép biến đổiFourier nhanh (FFT) cho bớc này FFT là một dạng biến đổi Fourier rờirạc (DFT) nhng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên đợc dùng trongcác hệ thống thực tế Sau khi đã tạo đợc sự trực giao giữa các sóngmang, 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 nhómcác sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian Lu ý, tín hiệuOFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần đợc chuyển lên tới tần số đợc lựachọn 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

đ-ợc qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độcủa các sóng mang con đợc nhận diện và đợc chuyển thành dữ liệu sốcần 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 hệthống OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 – 4000 bits, do đó bớcchuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lênOFDM symbol Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơngthức điều chế và số sóng mang con Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điềuchế 16-QAM, nh vậy mỗi sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và sốsóng mang con sử dụng là 100 thì số bit thông tin trên một symbol sẽ

là 4100 = 400 (bits) Chú ý rằng nếu ta dùng phơng thức điều chếthích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên từng sóngmang 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 vềdạng nối tiếp nh ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do pha đinhchọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảmnghiêm 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 sốsóng mang lân cận nhau bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liềnnhau bị lỗi Nếu nh cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm kiểmsoát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn đề sẽ chẳng đáng ngại Nhngthực tế, các cụm bit lỗi này lại thờng khá lớn, trong khi khả năng kiểmsoát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửalỗi thờng rất tốn kém Một ý tởng đơn giản và dễ thực hiện để giảiquyết 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, cácbit 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 xáotrộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) nh là một phần của quátrình 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 chúngkhông 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 đểtruyền 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 ánhxạ 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 cácvectơ IQ thu nhận đợc không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từmã Do đó với mỗi phơng thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trêntạp 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 mỗisóng mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin đ ợctruyền đi và phơng 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 OFDMphải 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 mangcon Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ đợc sử dụng nhdải 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 sốcơ sở, tín hiệu này còn phải đợc nâng lên tần số cao hơn để phục vụcho việc truyền dẫn Bớc này có thể áp dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹthuật chuyển đổi số Cả 2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuynhiên điều chế số có xu hớng chính xác hơn do độ chính xác trong việcphối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ thuật điều chế số cho giá trị phachính 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)

Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDMnhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệthống 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 symboltrên 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 hệthống OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗisymbol Dải bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chínhsymbol đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần củachính symbol đó Thờng thì ngời ta hay dùng phần cuối của symbollàm 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 truyền của symboltăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI Nh đã đề cập ở trên, mỗisóng 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 sự ngắt quãng giữa các symbol Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phépgiảm 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 từngsymbol để lấy ra đợc biên độ và pha của sóng mang con Với các hệthống OFDM có tốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thìkích thớc FFT phải nh nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằmduy trì đợc tính trực giao giữa các sóng mang con Do chèn thêm dải

truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào về mặtthời 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 cókênh truyền nào là lý tởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyềndẫn Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành

sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu đợc Lợng quaypha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con Giả sử lợng thời gian xêdịch là nh nhau với các symbol khác nhau, khi đó lợng di pha do sự xêdịch 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 bỏnhiều, 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 conphải đợc giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằmduy trì đợc sự trực giao giữa các sóng mang con Nếu biên độ và phacủa 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 tâmcủa 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 giátrị 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

đầu của symbol Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tạithời điểm bắt đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và phathực sự của nó Biên độ và pha này sẽ liên tục thay đổi dới sự tác độngcủa các thành phần đa đờng Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhấtthời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn của kênh truyền Nếu trễ truyền dẫnkhông vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện FFT biên độ và pha củasóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi nhận diện pha vàbiên độ sóng mang Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa đờng nh : sựquay 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 hiệuthu, nhng dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không v -

ợt quá phạm vi của nó Trong thực tế, các thành phần đa đờng suygiảm rất chậm theo thời gian, trong khi dải bảo vệ lại không thể lớnmột cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thì hiệu suất sử dụng phổ tần sốcàng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnh hởng của ISI lên tínhiệu thu

Hình 2-8 Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệHình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làmviệc trong môi trờng đa đờng Giả thiết đáp ứng xung của các thànhphần đa đờng suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu Quansát trong khoảng thời gian 16 mẫu, tơng đơng với 99% tổng năng lợngcủa các đáp ứng xung thu nhận đợc Hình trên cho thấy tơng quangiữa 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 thusau bớc giải điều chế Nói một cách ngắn gọn, S/N hiệu dụng đại diệncho chất lợng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đại diện cho chất l-ợng kênh truyền Dễ thấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ hơn S/Nkênh 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 giáchất lợng thông tin của một hệ thống Tuy nhiên ở đây ta xem xét hệthống OFDM một cách tổng thể, độc lập với phơng thức điều chế sóngmang 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 hiệudụng

Kết quả mô phỏng cho thấy, S/N hiệu dụng tỷ lệ với S/N kênhtruyền Điều này là hợp lý bởi nếu chất lợng kênh truyền đợc cải thiệnthì chất lợng thông tin thu đợc cũng sẽ đợc cải thiện Ta có thể nhậnthấy, 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 trễtruyền dẫn và độ dài dải bảo vệ, S/N hiệu dụng còn có thể đợc cảithiện 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 dụngphổ 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 cảithiện 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 đợclàm 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 ởng đến sự phân cách giữa các sóng mang tại máy thu Khoảng cáchgiữa các sóng mang quyết định bởi tốc độ lấy mẫu và số điểm thựchiện FFT tại máy thu :

h-FFT

S N

Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhómsóng 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 hạncho từng OFDM symbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệuOFDM đợc tạo ra Hình dới đây là một ví dụ về dạng sóng của mộtsóng mang con OFDM sử dụng phơng thức điều chế PSK Biên độ củasóng mang là không đổi, nhng pha thay đổi theo symbol Kết quả là tạibiên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột của sóng mang Kếtquả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng l-ợng giữa các symbol trong miền tần số.

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

ợng của các búp sóng phụ trong trờng hợp này vẫn rất còn đáng kể ởkhá xa khối phổ của các búp sóng chính Các búp sóng phụ này làmtăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số Có 2 kỹthuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụ tới mức có thể chấpnhận đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raisedcosin)

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 bộlọc đợc dùng để tránh “tạp” (aliasing) Tạp là hiện tợng tín hiệu saixuất hiện khi tín hiệu tơng tự đợc số hoá Sử dụng bộ lọc thông dải sẽloại 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 chungcác bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyến lọc cũng nh tínhthích nghi cao hơn các bộ lọc tơng tự Do đó trong hệ thống OFDM sửdụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn dải tín hiệu Về địnhnghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố phổ tần sốcủa 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 khôngqua bộ lọc Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọcthông dải ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phơng pháp cửa sổ đểtổng hợp Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ,nhng đồng nghĩa với nó là chi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNRhiệu dụng của hệ thống Hơn nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ mộtphần đáng kể năng lợng của các sóng mang con ở phía ngoài, làmméo dạng các sóng mang con này và gây ra ICI Nh trên hình 2-13 ta

có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lợng ởbúp 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 hởngcủa lọc thông dải lên tín hiệu OFDM cũng nh sự giảm S/N hiệu dụnggây bởi quá trình lọc Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tínhiệu OFDM đợc đóng gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổtần số Nhng cũng chính nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, vànhững 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 búpsóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảmbiên độ symbol dần về 0 trớc khi chuyển sang symbol khác Điều nàytạo ra một sự chuyển đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm đợcnăng lợng của các búp sóng phụ Hình dới đây là cấu trúc của mộtOFDM symbol đợc chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosine)

Hình 2-14 Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nângDải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau màchỉ gây ra một lợng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết đợc

Ưu điểm của việc chồng phổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dảibảo vệ mà không làm tăng thêm yêu cầu về dải thông cho symbol