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

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

Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang Nguyªn lý & øng dông cña OFDM

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 phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường 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 được 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 được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được 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 đưa ra Guard Interval cho kỹ thuật này Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vượt 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 như truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đường 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 như 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 tương 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 được 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

Mục lục

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

1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 6

1.1.1 Tín hiệu số 6

1.1.2 Mã đường dây Line Code 7

1.2 Truyền dẫn BroadBand 12

1.2.1 Amplitude Shift Keying 12

1.2.2 Frequency Shift Keying 14

1.2.3 Phase Shift Keying 16

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 18

1.3 Giới thiệu về OFDM 19

Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 2.1 Trực giao trong OFDM 26

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 30

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 31

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 32

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 32

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 33

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 34

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 35

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol 36

2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 38

2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 39

2.4.1 Lọc thông dải 40

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 42

Chương 4 Đồng bộ và Cân bằng 4.1 Đồng bộ 43

4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 43

4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 46

4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 47

4.1.4 Ước lượng dịch tần số 48

4.2 Cân bằng 49

4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 50

4.2.2 Cân bằng trong miền tần số 52

4.2.3 Khử tiếng vọng 55

Chương 5 M∙ hóa kênh 5.1 Mã hóa khối trong OFDM 61

5.2 Mã hóa vòng xoắn 65

5.3 Mã hóa mắt lưới 68

5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 71

Chương 6 ứng dụng OFDM trong thông tin vô tuyến 6.1 Phát thanh số DAB 74

6.1.1 Giới thiệu 74

6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 76

6.2 Truyền hình số DVB 78

6.2.1 Giới thiệu 78

6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 80

6.3 Mạng LAN không dây 84

Chương 7 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến 7.1 Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 89

7.1.1 Giới thiệu ADSL 89

7.1.2 Đặc tính của kênh truyền 90

7.1.3 Hệ thống ADSL 93

7.2 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC 95

7.2.1 Giới thiệu PLC 95

7.2.2 Đặc tính của kênh truyền 96

7.2.3 Hệ thống PLC 99

Kết luận Một số thuật ngữ dùng trong đồ án

Tài liệu tham khảo

Chương 1 Giới thiệu về truyền dẫn số

Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vượt 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 người Sở dĩ kỹ thuật số làm được

điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lưu 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 được truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đường truyền

1.1.1 Tín hiệu số

Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và được biểu diễn dưới 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 đường truyền Line Code với mục đích:

Đưa vào độ dư bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài

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

ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã 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 được 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 đường 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 được xác suất lỗi bít Ber cho trước

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

chất lượng truyền dẫn, nhưng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đường truyền

Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích như 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 trước khi lọc

1.1.2 Mã đường dây Line Code

Các số nhị phân “0” và “1” truyền dẫn trên đường truyền dưới dạng tín

hiệu xung nối tiếp được gọi là mã đường dây

Các loại mã đường 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

hay cáp quang)

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

Tốc độ (Mbps) Mã đường dây 2.048

8.448 34.368 139.264 564.992

HDB3 HDB3 HDB3 CMI CMI 1.544

6.312 32.064 44.736

AMI, B8ZS B6ZS, B8ZS AMI (Scrambled)

B3ZS 1.1.2.1 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 được 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 tương ứng với mức

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

AMI Đây là một mã lưỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ) Dãy mã thu được bằng cách: bit 0 tương ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tương 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 AMI Mã 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 dương 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 trường hợp đó sẽ xuất hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lưỡng 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 người ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trước khi truyền Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit được 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 được với chuỗi PRBS một cách đồng bộ

1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion)

Mã CMI cũng tương tự như mã AMI Non return zero Nhưng 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 + tương ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb

1 1 0 1 0 0 1

t +V

Binary

Code Mark Inversion

-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI Như vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t’CLK = 2tCLK được mã hóa như sau: bit 0 tương ứng với 01 còn bit 1 tương ứng với bit 00 và 11 luân phiên nhau

1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)

Mã HDB3 tương tự như mã AMI Return Zero Nhưng 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 lưỡng 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 lưỡng cực Như 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)

Tương tự như HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp Nhưng cách thay thế các bit 0

của BnZS khác với HDB3:

BnZS Binary Substitution B2ZS

B3ZS B4ZS B6ZS B8ZS

1.2 Truyền dẫn BroadBand

Nếu như kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp với kênh truyền này tín hiệu số phải được điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp để cho phép truyền được qua băng thông của kênh Kênh qua đó tín hiệu được truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần số sóng mang như trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang như 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 được 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 phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương 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 được sử dụng trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying) Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đường bao được 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)

( ) t v ( ) ( ) t v t

vASK = c ⋅ d

c d

0

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

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

( ) = + ⎢⎣ ⎡ − + cos 5 − ⎥⎦ ⎤

5

1 3

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

w t

3 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

cos 2 1

0 0

0 0

+ +

+

ư

ư

ư +

+

ư +

=

t w w

t w w

t w w t

w w t

w t

v

c c

c c

c ASK

đó mỗi trạng thái của tín hiệu được 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 đường 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 được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa và điều chế Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:

1

t

vd

t w t

vFSK

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

vFSK

π

π

T−¬ng tù trªn, cuèi cïng ta ®−îc:

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

+ +

+

ư

ư

ư +

+

ư +

+

+ +

+ +

ư

ư

ư +

+

ư +

=

⇒

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

vFSK

π

π

Như vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống như dạng phổ của tín hiệu

ASK nhưng với hai thành phần sóng mang có tần số f 1 và f 2, và khoảng cách

giữa chúng là f s

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

Phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng mang để điều chế tin tức Xét trường hợp đơn giản với PSK hai trạng thái

( ) t ( ) w t

vc = cos c

t v v

or t

w

t w v

t

v

c

c PSK

c

c PSK

cos 0

( ) = ⎢⎣ ⎡ − + cos 5 − ⎥⎦ ⎤

5

1 3

cos 3

1 cos

4

0 0

w t

w t

v t v t

πMÆt kh¸c ta cã:

( ) { ( ) ( )

3 1

cos cos

2

0 0

0 0

+ +

+

ư

ư

ư +

+

ư

=

t w w

t w w

t w w t

w w t

v

c c

c c

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

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation

Phương pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể coi là kết hợp của hai phương pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phương 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 Người ta thường dùng 16-QAM và 64-QAM tương ứng với 4 và 6 bit trong một baud Các bit được 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 lượng kênh thông tin, nhưng 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 được sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm,

ví dụ như 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 được 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 tương tự như FDM, song thay vì truyền các bản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ được 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

được 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 như 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 được 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 Trước khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang được 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 được phát triển bởi Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống

lại nhiễu nhiều đường multi-path Trong hệ thống này, cứ 20 tones được 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 như OFDM hiện nay, các

tones được để cách nhau tại những khoảng tần số gần như bằng với tốc độ tín hiệu và có khả năng phân tách ra ở máy thu Hệ thống đa sóng mang này được gọi tên là Multi-tone

Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng mang và phát hiện tương quan ở phía thu Khoảng các giữa các sóng mang bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối ưu Hệ thống này còn sử dụng phương pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số

mod

mod mod

mod filter

filter filter

filter

` cosw1t

sinw1t cosw2t

sinw2t

`

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 ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được Phương pháp điều chế OFDM này được đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone) Phổ của tín hiệu DMT trên đường 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 như đã đề cập ở trên Trong đó mỗi sóng mang được điều chế QAM với một

số phức Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f như 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 thường 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 tương đương có sử dụng bộ cân bằng

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã

được nghiên cứu đưa vào nhiều ứng dụng Một vài modem OFDM âm tần đã

được chế tạo Nhưng chúng không thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm chúng chưa được tiêu chuẩn hóa DMT đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua đường 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 bưu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thường

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

mà OFDM thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình Đó là tính chống lại ảnh hưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha

đinh lựa chọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phương 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

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 (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 được từ nhiều trạm phát tương đương với nhiễu do phản xạ nhiều đường và không gây

ảnh hưởng 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 nhưng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với chu kỳ symbol Trong trường hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

được sử dụng

Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo

Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

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

đã được biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin được truyền

đi trên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM được xếp vào phương 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 nhưng 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 được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt được 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 được sử dụng để truyền tin tức Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế để nhận được tin tức cần thu Như 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 được truyền đi trên

một số N n sóng mang con (N n có thể điều chỉnh được tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như 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, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được 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 được điều chế theo cả 2 phương thức: tương tự và

số Trong OFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phương thức điều chế số Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một nhóm các bit được truyền một cách song song Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dưới 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 được đảm bảo

2.1 Trực giao trong OFDM

Tín hiệu được 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 được truyền đi trên kênh truyền thông thường 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 lượng 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 được truyền Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đã tránh được nhiễu giữa chúng Các bản tin có thể được xem như 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 được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy, trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Như vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng 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 2-1 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 tương ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóng mang con này

đều bằng 0 Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tương 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 :

j i

j i C dt

t s t s

0 ( ) ( ) 0

Công thức trên được 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

0

,

2,10

)2sin(

)

Trong đó:

f 0 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

Nf 0 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 được điều chế sẽ giống như hình sau Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được 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 được biểu diễn bởi một dạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang Sóng mang này thường có dạng hình sin Sau khi được điều chế tin tức, trong sóng mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số trung tâm của sóng mang và các hài Mức tương đối của một tần số khi so sánh với một tần số khác được cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này

có được bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian Về mặt lý thuyết, để đạt được 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 được 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 được dạng sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fourier tại một

số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete Fourier Transform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó được gọi là phép biến đổi Fourier ngược

Như 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

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

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

mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f 0) Tính 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 các mẫu rời rạc Các mẫu đó được biểu diễn bởi các khuyên tròn (o) trên hình

vẽ Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tương ứng với

đỉnh của các sóng mang con Và như vậy thì sự chồng phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng mang được 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 được tạo ra trong miền số,

do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự

Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem

đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền thời gian bằng IFFT để truyền đi Lúc này ta đã tạo được một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian Lưu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần được chuyển lên tới tần số được lựa chọn để truyền đi

Khối thu thực hiện quá trình ngược lại khối phát Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độ của các sóng mang con được nhận diện và được chuyển thành dữ liệu số cần thu

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

Dữ liệu số thường ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp Trong hệ thống OFDM, mỗi symbol thường mang từ 40 – 4000 bits, do đó bước 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 phương thức điều chế và số sóng mang con Ví dụ, ta sử dụng phương thức điều chế 16-QAM, như 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 phương 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 ngược lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ được thực hiện để chuyển dữ liệu

về dạng nối tiếp như ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trường đa đường, 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 như 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 Nhưng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thường 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 thường rất tốn kém Một ý tưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như 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 như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗi lớn Do

đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) như 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 được cấp phát các bit thông tin để truyền đi, chúng sẽ được điều chế pha và biên độ bằng các phương thức điều chế thích hợp Lúc này sóng mang được 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

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

mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin được truyền đi và phương thức điều chế sóng mang được sử dụng, những sóng mang con không

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

miền tần số Để truyền được thì tín hiệu OFDM phải được chuyển về miền thời gian bằng IFFT Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tương ứng với một sóng mang con Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ được sử dụng như 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 được tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ ở tần số cơ

sở, tín hiệu này còn phải được nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền dẫn Bước này có thể áp dụng kỹ thuật tương 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 hướng 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 tương 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 trước, 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 phương thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với tốc độ bit Như ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông

cho trước 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 trước 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 Thường thì người ta hay dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó Khi đó khoảng bảo vệ GI được gọi là CP (Cyclic Prefix) Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI Như đã đề cập

ở 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 được liên tục, không

có sự ngắt quãng giữa các symbol Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi

do sự xê dịch thời gian ở máy thu

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian

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

để lấy ra được biên độ và pha của sóng mang con Với các hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu như nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước FFT phải như nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì được tính trực giao giữa các sóng mang con Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu được có thời

gian lấy mẫu là T G + T FFT, trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín hiệu trong

khoảng thời gian T FFT Do đó khoảng thời gian T G là thừa Với một kênh truyền lý tưởng 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 tưởng, 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 các sóng mang con trong tín hiệu thu được Lượng quay pha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con Giả sử lượng thời gian xê dịch là như nhau với

các symbol khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng

được loại bỏ bởi bước cân bằng kênh truyền Trong môi trường đa đường, dải bảo vệ càng lớn thì ISI càng được loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian càng được 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

được giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì được

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 tương ứng với symbol mới Trong môi trường đa

đường, ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lượng 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 dưới sự tác động của các thành phần đa

đường 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 vượt 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 hưởng khác của hiện tượng

đa đường như : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang

đều có thể được hiệu chỉnh bởi bước cân bằng kênh truyền Việc chèn thêm dải bảo vệ đã giải quyết được phần lớn các ảnh hưởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhưng dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không vượt quá phạm vi của nó Trong thực tế, các thành phần đa đường 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 hưởng của ISI lên tín hiệu thu

Hình 2-8 Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ Hình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việc trong môi trường đa đường Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa

đường suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu Quan sát trong khoảng thời gian 16 mẫu, tương đương với 99% tổng năng lượng của các đáp ứng xung thu nhận được Hình trên cho thấy tương 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 bước giải điều chế Nói một cách ngắn gọn, S/N hiệu dụng đại diện cho chất lượng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đại diện cho chất lượng 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 hưởng

do hiện tượng đa đường gây ra Người ta thường dùng tỷ số lỗi bit (BER) để

đánh giá chất lượng thông tin của một hệ thống Tuy nhiên ở đây ta xem xét

hệ thống OFDM một cách tổng thể, độc lập với phương thức điều chế sóng mang nên ta dùng S/N để đánh giá chất lượng thông tin của hệ thống BER ứng với một phương thức điều chế cụ thể sẽ được 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 lượng kênh truyền được cải thiện thì chất lượng thông tin thu được cũng sẽ được cải thiện Ta có thể nhận thấy, dải bảo

vệ càng lớn thì S/N hiệu dụng càng được 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 Như vậy dải

bảo vệ càng lớn thì năng lượng ISI bị lọc bỏ càng lớn Tuy nhiên với độ dài dải bảo vệ là 16 mẫu như trên thì ảnh hưởng 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 được cải thiện bằng cách sử dụng các phương thức điều chế sóng mang

đơn giản như BPSK, QPSK Nhưng như thế đồng nghĩa với việc hiệu quả sử dụng phổ tần số sẽ thấp hơn là dùng các phương thức điều chế cấp cao khác

Để đạt được 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 Như 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 lượng thông tin của toàn hệ thống Tuy nhiên, đến một mức độ nào đó thì tăng số sóng mang con lại làm giảm chất lượng thông tin Vấn đề này ta đã đề cập đến ở các mục trước và sẽ còn tiếp tục được 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 nhưng không ảnh hưởng 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 :

Δf là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (Hz)

F S là tốc độ lấy mẫu (Hz)

N FFT là số điểm thực hiện FFT

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 được qua điều chế Mỗi sóng mang con được 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 được tạo ra Hình dưới đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phương thức điều chế PSK Biên độ của sóng mang là không đổi, nhưng 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 lượng 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 chưa qua lọc Ta thấy với trường

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

sóng phụ trong trường 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 được là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosin)