CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ

TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI : CƠNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG

PHẦN 1 LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ OFDM

CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN HỆ THỐNG CELLULAR

Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay.Thông tin vô tuyên di động đã và đang phát triễn với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia ,số luợng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định.Trong tương lai số luợng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chứ viễn thông không ngừng nghiên cứu ,cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật,để cài tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin Cho đến nay hệ thống thông ti đã trải qua 3 thế hệ (Three Generations)

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 1 (1G)

1.1.a Đặc điểm

Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triễn vào những

năm cuối thập niên 70 ,hệ thống này sử dụng kỹ thuật ( analog ).Tất cả các

hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access)

Các hệ thống mạng di động 1G chỉ được dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên

1.1.b Các hệ thống mạng 1G

Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống :

• AMPS(Advaced Mobile Phone System)

• ETACTS(Enhanced Total Access Cellular System)-Châu Âu

• NMT(Nordic Mobile Telephone System) Bắc Âu

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 2 (2G)

1.2.a Đặc điểm

Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được

sử dụng rộng rãi Là một mạng thông tin di động số băng hẹp ,sử dụng phương pháp chuyển mạch –mạch (circuit switching) là chủ yếu Phương pháp đa truy cập TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) được sử dụng kết hợp FDMA

Hệ thống mạng di động 2G sử dung cho dịch vụ thoại và truyền số liệu

1.2.b Các hệ thống mạng di động 2G

Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống :

• PCS (Personal Communication System)

PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900MHz.Ưu đỉểm của điện thoại PCS là nhỏ ,trọng lượng nhẹ ,bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu

• TDMA(Time Division Multiple Access)

TDMA là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triễn từ mạng 1G AMPS ,tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại Điện thoại TDMA có thể hoạt động ở 2 chế độ : analog và digital Trong thông tin TDMA thỉ nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo

TDMA được chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp còn Châu

âu TDMA băng rộng nhưng cả hai hệ thống đều có thể được coi như tổ hợp FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần

Ngày nay , TDMA là chuẩn được sử dụng phổ biến ở Mỹ ,Châu Mỹ Latin ,New Zealand và một số quốc gia thuộc khu vực Châu Á,Thái Bình Dương

• CDMA (Code Division Multiple Access)

Mạng CDMA đuợc triển khai năm 1995 Tương tự như TDMA ,mạng CDMA cũng phục vụ đồng thời ở hai chế độ :tương tự và số

Điểm khác biệt TDMA và CDMA : Các kênh CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấp cho mỗi thuê bao một mã duy nhất

• GSM(Global System for Mobile Communication)

Hệ thống GSM ra đời năm 1988 sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy nhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA ,nhờ đó tại một thời điểm có 8 thuê bao có thể sử dụng chung một kênh GSM sử dụng cho dịch vụ truyền thoại và fax với tốc độ 9600 bit/s

Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card (Subcriber Indentify Module ) Rời lưu trữ số điện thoại ,thông tin và tài khoản thuê bao

GSM 900 Mhz là mạng số chủ yếu ở Châu Âu và cũng được sử dụng ở các quốc gia Châu á Thái Bình Dương GSM 1800 cũng được triển khai

ở Châu Âu và Châu Á nhưng không phổ biến như hệ thống GSM 900MHz ,hệ thống GSM 1800 được sử dụng phổ biến ở Châu Mỹ và Cannada

Nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn

so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp ,không đòi hỏi môt sự thay đổi có tính chất đột biến 1.3.b Các hệ thống mạng 2.5G

• GPRS(Generic Packet Radio Services )

GPRS là một hệ thống mới ,đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM

sử dụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính dựa trên từng gói nhận ,gởi đi ,khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cước dựa trên thời gian kết nối GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thống di động thế hệ thứ 2G GSM , có khả năng cung cấp các kết nối ảo ,các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 171.2Kbps cho mỗi user nhờ vào việc sử dụng đồng thời nhiều timeslot Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho các thuê bao di động ,GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên 3G

Với việc xây dựng hệ thống GPRS ,các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu ,cũng như đã tạo ra một môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ của thế hệ 3G sau này

Trong hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại thì mục đích chính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng

số liệu chuẩn như TCP/IP

• EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution)

Mạng EDGE được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSM nhưng lại cung cấp gần đạt đến các chuẩn dành cho 3G ,tốc độ xấp xỉ 384 Kbps

Ở thế hệ thứ 3 ,các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps.Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém

1.4.b Các hệ thống mạng 3G

• WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

WCDMA hay còn gọi IMT-2000 là môt chuẩn của ITU( International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA

Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di động cao hơn nhiều so với khả năng của mạng di động hiện nay.WCDMA WCDMA có thể hỗ trợ việc truyền thoại ,hình ảnh dữ liệu video có tốc độ lên đến 2Mbps

• UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

UMTS là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu Mạng này cung cấp cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz ,cho phép hình ảnh âm thanh,video ,truyền hình ….hiển thị trên các máy điện thoại di động

UMTS được xem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng 2G GSM

2.CẤU HÌNH HỆ THỐNG CELLULAR

Hệ thống thông tin di động Cellular gồm ba phần chính cơ bản : là các máy điện thoại di động MS(Mobile Station); Trạm gốc BS(Base Station ) và trung tâm chuyển mạch điện thoại di động MSC(Mobile Service Switching Center).Các phần này được liên kết với nhau qua đường kết nối thoại và số liệu

• Máy điện thoại di động MS bao gồm : các bộ thu /phát RF ; anten

và bộ điều khiển

• Trạm gốc BS bao gồm các bộ thu phát RF để kết nối máy di động

MS với MSC ;anten;bộ điều khiển ;đầu cuối số liệu và nguồn

• Trung tâm chuyển mạch MSC bao gồm bộ phận điều khiển ;bộ phận kết nối cuộc gọi ;các thiết bị ngoại vi và cung cấp các chức năng thu nhập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS,cung cấp các chức năng điều khiền trung tâm cho hoạt động của các BS một cách hiệu quả và

để truy cập vào tổng đài của mạng điện thoại công cộng

Các máy điện thoại di động MS,trạm gốc BS và tổng đài MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu phát RF Vì các kênh lưu lượng không

cố định ở một kênh RF nào mà luôn thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt cuộc gọi nên cuộc gọi đó có thể thiết lập qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó Cũng từ những quan điểm về hệ thống thông tin

di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận

do đã được kết nối đồng thời với các máy di động Bộ phận điều khiển trung tâm chuyển mạch MSC sẽ điều khiển ,sắp đặt và quản lý toàn bộ

hệ thống thông tin Cellular

Tổng đài Cellular kết nối các đường đàm thoại để thiết lập cuộc gọi giữa các thuê bao di động MS với nhau hoặc giữa các thuê bao cố định với các thuê bao di động và làm nhiệm vụ trao đổi các thông tin báo hiệu đa dạng qua đường số liệu giữa MSC và BS

Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy di động MS va trạm gốc BS được truyền qua kênh RF.Các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền các thông tin thoại và báo hiệu giữa BS và MSC

2.2 PHÂN LOẠI TRUYỀN SÓNG

2.2.1 KHÔNG GIAN TỰ DO

Công suất tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền từ một nơi này đến một nơi khác.Điều này là do chiều dài của đường truyền ,sự tắc nghẽn của đường truyền và những ảnh hưởng đa đường (Multipath effects) Bất cứ vật nào mà

nó chắn đường truyền thẳng (line of sight) từ nơi truyền đến nơi nhận thì nó cũng bị suy giảm

Các tín hiệu phản xạ bị trễ cho đến anten so với tính hiệu trực tiếp.Có thể tránh một số phản xạ bằng cách dùng anten tốt nhưng không phải lúc nào điều này cũng có thể thực hiện được do giá cả anten ,do phải điểu chỉnh hướng anten

Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thì được tăng cường trong khi ở một số khác thì bị suy giảm Ta thấy đáp tuyến thay đổi theo cả thời gian và tần số Suy giảm chọn lọc đuợc thể hiện

rõ ràng Khi máy thu và tất cả các đối tựợng gây phản xạ là cố định thì đáp tuyến tần số hiệu dụng của kênh truyền từ máy phát tới máy thu là cố định Nếu tín hiệu có ích có dải thông tương đối hẹp và lại rơi vào phần băng tần có suy giản đáng kể thì ở đó sẽ có fading phẳng và việc thu sẽ bị suy giảm Khi

xem xét tín hiệu có giải thông lớn hơn thì một phần tín hiệu sẽ chịu giao thoa cấu trúc và bị suy giảm đôi khi tới mức không thu được Nhìn chung nếu tín hiệu có giải thông càng rộng ,lớn hơn dải thông tương quan thì nó chịu nhiều sai lệch truyền ,nhưng công suất thu được toàn phần sẽ thay đổi ít hơn , thậm chí nếu có những suy giảm đáng kể do truyền lan nhiều đường.Ở đây dải thông tương quan là khoảng cách tần số mà cường độ của các thành phần tín hiệu vẫn còn tương quan bởi một hệ số nào đó

RF đi qua nó ,tạo vùng tối chiều sâu ở đằng sau chúng Trong nhung điều kiện như vậy hầu hết năng lượng thu được là do phản xạ hoặc nhiễu xạ chung quanh đối tượng chứ không phải là do tia tới trực tiếp

Nhiễu xạ xảy ra ở mép các đối tượng chướng ngại trên đường truyền Ở mép nhiễu xạ,tín hiệu phát xạ lại như mặt đầu sóng bắt nguồn từ mép nhiễu

xạ Điều này làm cho nó uốn cong một phần quanh đối tượng Nhiễu xạ không có ảnh hưởng đáng kể đến vùng tối của ánh sáng nhìn thấy vì bước sóng ánh sáng nhỏ (0.4µm-0.7µm) so với kích thước đối tượng (0.1-10m) Tín hiệu thu được là tổ hợp của tín hiệu trực tiếp ,tín hiệu phản xạ và tín hiệu nhiễu xạ Giá trị công suất thu được là tổng hợp thành các nhánh tín hiệu này Sự chuyển động của máy thu ,máy phát hoặc đối tượng trong môi trường sẽ dẫn đến sự thay đổi tổn hao truyền lan do sự thay đổi nhánh truyền Do bản chất thay đổi chậm ,nhìn chung chúng được coi như fadinh chậm

2.2.3 VÙNG FADING RAYLEIGH

Trong các đường truyền vô tuyến ,tín hiệu RF từ nơi truyền sẽ bị phản xạ bởi nhà cửa ,xe cộ… Điều này sẽ lảm tăng bội số đường truyền tại máy thu.Nếu giữa anten phát và anten thu không có đường truyền tầm nhìn thẳng thì tia phát được thu bằng nhiều đường truyền sóng khác nhau do phản xạ ,nhiễu xạ ,tán xạ.Do vậy điện trường tổng hợp thu được lớn hơn nhiều so với tia tương tự truyền trong không gian tự do Ngoài ra ,các thăng gián tức thời của điện trường thu được phức tạp hơn so với tương tác hai tia do nhiễu từ nhiều đường truyền sóng.Hiện tượng này gọi là Fading Rayleigh

Thậm chí ,điện trường thu trung bình đối với trường hợp dịch chuyển trong khoảng ngắn (khoảng 50m) cũng thăng gián đáng kể do cấu hìng đường truyền sóng thay đổi khi trạm di động di chuyển

Nếu trong đường truyền sóng có nhiều phần tử thăng gián phức tạp thì hầu như không tính được điện trường thu một cách chính xác từ cấu hình đường truyền.Trong một đường truyền như vậy ,việc đánh giá điện trường thu thường được thực hiện bằng phương pháp thống kê

Trong đường truyền sóng mặt đất vd như đối với điện thoại trên ôtô –phần lớn các đường truyền có nhiều phần tử thăng gián phức tạp ,vì vậy điện trường thu được của trạm di động và trạm gốc được đánh giá bằng phương pháp sử dụng nhiều kết quả đã đánh giá và sắp xếp theo thống kê

2.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN SÓNG DI ĐỘNG MẶT ĐẤT

2.3.1 TRUYỀN SÓNG MẶT ĐẤT PHẲNG

CHƯƠNG 3 : LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN CỦA CÔNG NGHỆ OFDM

3.1 CUỘC CÁCH MẠNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứng dụng tại Mỹ năm 1946 ,sử dụng băng tần 150MHz ,với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênh bị hạn chế là 3 kênh Đó là hệ thống bán song công (người bên này không thể nói trong khi người kia đang nói và cuộc thoại được kết nối bằng nhân công )

Sau khi cải tiến ,hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150Mhz và

hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 459Mhz đã được sử dụng vào năm 1969 Đây là hệ thống song công ,trong đó một trạm gốc BS có thể phục vụ cho vùng bán kính rộng đến 80km

Cho đến nay ,công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triễn vượt bậc trong những năm gần đây Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùng theo chuẩn IEEE802.11b,cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps Các tiêu chuẩn WLAN mới như IEEE802.11a và HyperLAN2 dựa trên công nghệ OFDM cung cấp tốc độ dữ liệu tới 54Mbps Tuy nhiên trong tương lai gần các hệ thống sẽ yêu cầu các mạng WLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn 100Mbps Do vậy cần phải cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu của các hệ thống OFDM trong các ứng dụng WLAN

Mạng di động thế hệ thứ ba và bốn là cung cấp cho khách hàng tốc độ dữ liệu cao ,phạm vi dịch vụ lớn như thông tin thoại ,điện thoại truyền hình(videophone) và truy cập internet với tốc độ cao Tốc độ dữ liệu cao các mạng di động tương lai có thể được thực hiện nhờ tăng giá phổ phân phối cho các dịch vụ và bằng việc cải thiện hiệu quả phổ OFDM là một ứng cử viên tiềm năng của hệ thống mobile thế hệ thứ tư

3.2 CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY CẬP

3.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Công nghệ FDMA được sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông tin tương tự Trong kỹ thuật này ,băng tần tổng được phân chia thành nhiều băng tần nhỏ Mỗi thuê bao MS được phép truyền liên tục theo thời gian trên một băng tần nhỏ đã được cấp phát cho MS đó ,do đó sẽ không bị trùng Mỗi băng tần bao gồm băng tần tối thiểu cho việc truyền dữ liệu và hai dãi tần phòng vệ hai bên để chống nhiễu xuyên kênh

Đặc điểm của FDMA là thuê bao MS sẽ được cấp phát một kêng đôi liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kế Trạm gốc BS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi thuê bao MS trong hệ thống di động

3.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access)

Hệ thống thông tin di động TDMA được phát triễn trên nền FDMA Ứng dụng kỹ thuật nén số đối với thoại để mỗi thuê bao trong hệ thống đều

có thể truy cập toàn bộ băng tần vô tuyến của hệ thống ở các khe thời gian

khác nhau Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung Khoảng thời gian không sử dụng giữa các khe lân cận là thời gian bào vệ để giảm nhiễu

Trong hệ thống Cellular ,phổ tần được chia thành các dải tần liên lạc trong khe thời gian của nó để truyền thông tin dữ liệu Nếu phổ tần có sẵn được chia thành nhiều dải tần liên lạc cho các nhóm thuê bao riêng biệt thì gọi là TDMA băng hẹp Còn nếu phổ tần cho phép đều được sử dụng cho mọi thuê bao thì gọi là phương pháp TDMA băng rộng

Khuyết điểm của kỹ thuật TDMA là hiện tượng trễ truyền dẫn gây ra sự trùng chập tín hiệu giữa hai khe thời gian lân cận nếu thời gian bảo vệ của mỗi khe không đủ Lý thuyết đã chứng minh giả sử bán kính Cell là R thì thời gian trễ là Ttrễ =2R/C Để tránh chồng chập tín hiệu thì khoảng thời gian bảo

vệ tối thiểu của mỗi khe thời gian phải là Gmin=2R/C ,nhưng điều này sẽ làm giảm dung lượng kênh Để dung lượng kênh không bị giảm thì có thể sử dụng phương pháp thứ hai là không có thời gian bảo vệ mà thay thế bằng cách điều chỉnh định thời phát củ thuê bao MS Tuy nhiên khi đó cần phải xác định khoảng cách MS –BS và điều chỉnh định thời thích ứng Vì vậy ,cần phải tùy theo đặc điểm từng hệ thống mà lựa chọn phương pháp thích hợp

Hệ thống TDMA điển hình là GSM (Global System for Mobile )

3.2.3 CDMA (Code division Multiple Access)

Sự phát triễn của công nghệ CDMA bắt đầu năm 1989 ,sau khi tiêu chuẩn NA-TDMA (IS-54) được thiết lập

Trong hệ thống thông tin di động CDMA ,nhiều thuê bao MS sử dụng chung cùng một băng tần Cell ,nhưng được phân biệt với nhau theo các mã khác nhau Các thuê bao có thể thực hiện cuộc gọi đồng thời mà không gây nhiễu nhờ tính không tương quan giữa các mã khác nhau đó Mỗi thuê bao di động MS được gán một mã riêng và kỹ thuật trải phổ tín hiệu sẽ giúp cho các

MS không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù có thể cùng một lúc dùng chung dãi tần số Nếu muốn thu được tín hiệu của kênh truyền thì phải biết được mã của kênh đó

Đặc điểm của tín hiệu CDMA là sử dụng tín hiệu cao tần ,dãi tần rộng hảng MHz ,sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trãi phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ rất nhỏ và chống Fading hiệu quả hơn FDMA và TDMA Việc thuê bao các MS trong Cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản ,việc thay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề và chuyển giao trở thành mềm.Điều khiển dung lượng trong Cell rất linh hoạt.Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số như TDMA nhưng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại ,nên tín hiệu thoại có tốc độ bit trung bình nhỏ hơn

Hệ thống CDMA điển hình là IS-95

3.3 SỰ PHÁT TRIỄN CÔNG NGHỆ CDMA

Thế kỳ 20 là thời kỳ bùng nổ thông tin trên thế giới và cũng là thời kỳ đánh dấu sự ra đời của các kỹ thuật đa truy cập.Chúng ta đã từng nghe nói đến các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA với hệ thống AMPS ,kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA với ứng dụng rộng rãi của mạng GSM Có thể khi nge đến kỹ thuật trải phổ với ứng dụng rộng rãi của

đa truy cập phân chia theo mã CDMA ,nhiều người lần tưởng đây là công nghệ mới ra đời sau này ,bởi nó chỉ được công nhận và ứng dụng rộng rãi trong thương mại vào giữa những năm 90 Nhưng thực ra ,CDMA đặt trong bối cảnh lịch sử ,có nguồn gốc từ chiến tranh thế giới thứ hai Tại Mỹ, vào năm 1940 ,một nữ diễn viên Hollywood đồng thời là nhà sáng chế tài năng George Antheil ,là một nhạc sĩ dương cầm ,khi chiến tranh thế giới lần hai sắp

nổ ra ,đã đồng sáng chế ra một cách điều khiển ngư lôi bằng cách gửi tín hiệu vô tuyến ngẫu nhiên ,nhảy liên tục từ tần số này sang tần số khác để tráng khả năng bị gián đoạn Ý tưởng này ,được biết đến như nhảy tần FH (Frequency Hopping) và sau đó là trải phổ nhảy tần (FH-SS ).Họ sáng chế ra

hệ thống điều khiển nhảy tần đầu tiên dùng một mẫu tám mươi tần số ,bằng

số phím chính xác trên cây đàn dương cầm Mặc dù các nhà phát minh đã cố gắng miệt mài để thúc đẩy việc thực thi các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm nhưng hải quân Mỹ đã loại bỏ xem như một giải pháp khộng khả thi Phát minh này đã bị chìm vào quên lãng đến năm 1947 khi các kỹ sư tại phân viện hệ thống điện tử Sylvania tại Buffalo New York tiếp tục ý tưởng này Họ

đã dùng công nghệ này vào việc thông tin bảo mật cho Mỹ trong suốt cuộc khủng hoảng tên lửa Cuba vào năm 1962 Sau khi trở thành công nghệ tuyệt mật cho toàn bộ chính quyền ,quân đội Mỹ vào những năm 80 đã tiết lộ bí mật về công nghệ mà bây giờ chúng ta được biết đến công nghệ CDMA Công nghệ này đã sớm gây được sự chú ý của công nghệ Wireless mới phát triễn.Công nghệ CDMA kết hợp chặt chẽ với trải phổ ,hoạt động bởi việc số hoá các cuộc đối thoại kèm theo một mã chỉ được biết bởi nơi phát và nơi thu ,chia tín hiệu thành các bit và sau đó kết nối chúng lại Công nghệ này rất được ưa dùng trong quân đội vì tín hiệu mã hoá với hàng triệu kết hợp khác nhau làm cho việc truyền rất an toàn

Công nghệ CDMA đã chứng minh tính hữu dụng rất cao trong mạng thông tin di động Cellular bởi nó cung cấp một phương pháp mã hoá rất an toàn cho mọi người sử dụng đồng thời đem lại chất lượng cuộc gọi có thể xem là tuyệt hảo so với hệ thống GSM là hệ thống thông tin di động chính được sử dụng tại nhiều nơi trên thế giới hiện nay Công nghệ này đã chứng minh ưu thế nổi bật trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến bởi nó cho phép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ đồng thời một khoảng băng tần mà không gây can nhiễu lẫn nhau ,không như các công nghệ trước đây đòi hỏi cấp phát cho mỗi người

sử dụng một tần số vô tuyến riêng

Lý thuyết về công nghệ CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 nhờ tín bảo mật cao Cùng với sự phát triển củacông nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980 ,CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS ,phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống thôn tinh Cellular của Qualcomn –Mỹ năm 1990

Công nghệ CDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã và ứng dụng trong kỹ thuật trải phổ Điều này khắc phục được những nhược điểm của hai

công nghệ FDMA và TDMA trước đó Mặc dù công nghệ CDMA mới phát triễn gần đây nhưng sự phát triễn của nó rất nhanh chóng chỉ riêng địa bàn châu

Mỹ và Châu Á- Thái Bình Dương ,đến cuối năm 1996 đã lắp đặt khoảng

11000 trạm gốc.Đặt biệt tại một số nước như Mỹ,Nhật đã đặt công nghệ viễn thông CDMA là hệ thống viễn thông thế hệ thứ 3

CHƯƠNG 4 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

A NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM

để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn Tuy nhiên

nó cho phép hiệu quả phổ tốt hơn

OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh thruyền trên một tần số khác nhau ,sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng

bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T ,những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng

dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau ,cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số ,nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (Inter- Carrier Interference (ICI)) do bản chất trực giao của điều

chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoản bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu.Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh

xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin.Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triễn, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm :Điều chế tần số (FM ),điều chế biên độ (AM ) ,điều chế pha (PM) ,điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB),Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK) ,khóa dịch tần số (FSK) ,Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM

OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao”(OMCM –dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp,truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT(Centre Commun d’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc

độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc

ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ ,bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa đuợc

sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM ,nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

4.1 ĐA SÓNG MANG (MULTICARRIER )

Nếu truyền tính hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất ,trên cơ sở mà dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khội phục dữ liệu có ích Điều này tương đương khi ghép kênh theo tần số (FDM)

.Do vậy ,khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp ,nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác.Để hồi phục dữ liệu đã mất ,người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC-Forward Error Correction).Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế.Tuy nhiên để không

có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (GAURD PERIOD) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao với nhau Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM)

Thât ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980 Nhưng

do lúc đó còn hạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier(Inverse Fast Fourier Transform –IFFT) nên cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp Phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn

“ORTHOGONAL” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường ,nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường.Trong các máy như vậy ,các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác

mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phài trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế ,dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích phân treên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởi các sóng mang ICI(Inter-Carrier-interference) cũng làm mất đi tính trực giao

Về mặt toán học ,trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis )

{{Φi(t)/i=0,1, } có tính chất sau ;

k i

k i dt

φ

(4.2.1)

Như vậy {{ } { φi( t ) = sin( n π 2 t / T , cos( m π 2 t / T } với T u = T l − T l1

Ngoài ra có thể biễu diễn trực giao theo hàm phức

∫ i t k t dt ik i i k k

0

1 )

( )

(2)

Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là ∆f=1/T u

Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức Ví dụ : Nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2… Thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π

VIệc xử lý (điều chế và giải điều chế ) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số ,bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing ).Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học ,số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vecto.Theo định nghĩa ,hai vecto được gọi là trực giao với nhau khi chúng

vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900 ) và tích của 2 vecto là bằng 0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau , tổng hợp các tích

sin(

Quá trình tích phân có thể đựoc xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó ,diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau :

V

V2 =0

Hình 4.2h-1 : Tích của 2 vecto trực giao bằng 0

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0

Hình 4.2h2 : Giá trị trung bình của sóng Sin bằng 0

Biên

độ

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số ,thì tích phân của chúng sẽ bằng không Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân khác tần số thì :

t t

t Biên độ

Hình : Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương ,giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình trên ).Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đuợc từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x ,được tách ra hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang ,đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế

Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao

♣ Từ phân tích trên ta có thể rút ra kết luận :

♦ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông ,do vậy bị ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

♦ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo

vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao ,khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau mà vẫn không gây can nhiễu

4.2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA OFDM

Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy thu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảo trong kêng truyền

Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dãi thông hẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền tần số Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số luợng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải

sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại

Trong toán học ,mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức :

)]

( [

) ( )

c c

c c

e t A t

Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t).Cả Ac(t) và Φc(t)( Biên độ và pha tương ứng của sóng mang ) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản.Đối với điều chế QPSK , biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường Đối với symbol thứ p ,trên khoảng thời gian (p-1)τ<t<pτ, Φc(t) sẽ chiếm một giá trị tập hợp góc 00,900,1800,2700

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang ,vì vậy tín hiệu phức Ss(t) được thể hiện bởi công thức :

=

Φ+

0

)]

([

) (

1 )

n

t t j c

s

c n

e t

A N

Ac(t) và φc(t) và nhận các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần

số của sóng mang cụ thể đó ,và như vậy có thể viết lại như sau

n c

n c

A t

A

t t

φ

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T ( với T là chu

kỳ lấy mẫu),thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức :

=

Φ+

∆+

0

]]

[( 0

1 )

n

kT n j

n s

n

e A N

kT

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn Nó là thuận lợi để lấy mẫu trong một chu kỳ của một symbol dữ liệu Vì thế có mối liện hệ

0

)(

1 )

n

kT n

j j

Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức (4.2.2) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược :

N nk j N

n

e NT

n G

N

kT

1 0

1 )

1 1

=

=

∆

NT f

Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách thủ tục biến đổi Fourier

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi ψml à một mạng trực giao được cho bởi công thức :

) exp(

τ π

τ π

/ ) ( 2

/ ) ( 2 [ ] / ) ( 2 [

q p j

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/τ,đạt đến yêu cầu qui định của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn τ.Nếu tích phân đuợc mở rộng ra cả pha của mỗi sóng mang thì biểu thức (4.2.1) được sửa lại như biểu thức (4.2.5).Đây là sự tính toán cần thiết cho máy thu

Những tín hiệu thì trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao là một thuộc tính cho phép truyền tín hiệu một cách hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu Việc tổn hao tính trực giao làm sút kém kết quả những tín hiệu thông tin này và giảm phẩm chất thông tin và nhiều sơ đồ ghép kênh trực giao Ghép kênh theo thời gian(TDM) cho phép truyền nhiều tín hiệu thông tin trên một kênh đơn bởi việc gán khe thời gian đồng nhất cho mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt Trong mỗi khe thời gian chỉ một tín hiệu từ một nguồn đơn thì được ,khi truyền ngăn ngừa sự can nhiễu bất kỳ giữa nhiều nguồn thông tin Do vậy TDM này trực giao về bản chất Trong miền tần số ,đa số các hệ thống FDM trực giao vì mỗi tín hiệu truyền riêng biệt được để cách ly nhau theo tần số để ngăn ngừa can nhiễu

.Mặc dù những phương pháp này là trực giao thuật ngữ OFDM đã được dành riêng cho một dạng cho một dạng đặt biệt của FDM.Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau ,gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp mổi một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hìn sin ,mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dảy tần số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là

số nguyên lần thời gian symbol.Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nghyên các chu kỳ trong một symbol Và chúng trực giao với nhau

4.2.2 TRỰC GIAO MIỀN TẦN SỐ

Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tyến tần số sinc (sin(x)/x).Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT).Thời gian sumbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz.Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miên thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Dạng sinc có 1 búp chình hẹp ,với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu này đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

4.3 TẠO VÀ THU OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự

Hình 4.3.1 là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền , ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform).Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF , ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được phách lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý ,sau đó sử dụng biến đổi Fourier

nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha

của các tải phụ được chọn ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh(FFT) là hàm bổ

sung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào liệu tín hiệu đang

được thu hoặc đang được phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập

với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế

cho nhau

4.3.1 NỐI TIẾP - SONG SONG

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp Trong OFDM ,mỗi

symbol thường truyền 40-4000 bit và do vậy giai đoạn biến đổi song song

thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng, bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu

cần truyền trong mỗi symbol OFDM Dữ liệu được phân phối cho mỗi symbol

phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và trên mỗi tải phụ có thể thay

đổi và như vậy số bit tảii phụ cũng thay đổi Kết quả là giai đoạn biến đổi nối

tiếp thành song song bao hàm việc làm đầy payload dữ liệu của mỗi tải phụ

Tín hiệu OFDM băng gốc (baseband)

Hình OFDM transmitter và receiver

.Tại máy thu quá trình là ngược lại ,với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc

Khi sự truyền OFDM xảy ra trong môi trường radio truyền lan đa đường (multipath) ,fading chọn lọc tần số có thể làm cho những nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng ,có thể gây ra các lỗi bit Các Null này trong đáp tuyến tần

số của kênh có thể làm cho thông tin trong những sóng mang kế cận dễ bị phá hủy, tạo thành cụm mỗi bit trong mỗi symbol Phần lớn các sơ đồ của lỗi tiến (FEC) làm việc có hiệu quả hơn nếu các lỗi được trải rộng ra ,hơn là tạo thành bó ,và vì vậy để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống dùng xáo trộn dữ liệu (scrambing) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Điều này được thực hiện bởi sự ngẫu nhiên hoá vị trí tải phụ của mỗi bit dữ liệu liên tiếp Tại máy thu quá trình xáo trộn được sử dụng

để giải mã tín hiệu Điều này khôi phục dãy bit dữ liệu gốc nhưng trải rộng các cụm lỗi bit làm cho chúng được phân bố gần đều theo thời gian Sự ngẫu nhiên hóa vị trí của các lỗi bit như vậy cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật sửa lỗi tiến (FEC) và nhìn chung của cả hệ thống

4.3.2 ĐIỀU CHẾ TẢI PHỤ

Cứ mỗi lần tải phụ được phấn phối bit để truyền ,chúng được ánh xạ vào biên độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha và vuông pha Hình 4.3.2 ví dụ của ánh xạ điều chế tải ohụ Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM ,ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol.Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vecto duy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ.Một

số lớn sơ đồ điều chế là có sẵn ,cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên m65t symbol

Điều chế tải phụ có thể sử dụng một bản lookup làm cho nó rất hiệu quả khi thực hiện

Hình 4.3.2 h1 Ví dụ chòm điểm(constellation) điều chế IQ,16 – QAM ,với

mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí

4.3.3 ĐIỀU CHẾ RF

Đâu ra của bộ điều chế OFDM là tín hiệu baseband ,tín hiệu này phải được dịch (hoặc phách –UpConverte) lên tần số cao để phát đi Điều này có thể được thực hiện khi dùng kỹ thuật tương tự như ở hình 4.3.3a hoặc dùng dịch tần số như hình 4.3.3b Cả hai kỹ thuật trên đều thực hiện cùng một thuật toán ,tuy nhiên kỹ thuật điều chế số có khuynh hướng trở nên chính xác hơn

do sự phối hợp đuợc cải thiện giữa xử lý kênh I , Q và độ chính xác pha của

bộ điều chế IQ số

4.3.4 THUẬT NGỮ NHIỄU PHA VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾ NÓ

4.3 4a Định nghĩa vấn đề và thuật ngữ

Giả sử có N điểm trong phép biến đổi DFT được sử dụng để tạo ra và giải điều chế tín hiệu OFDM Do vậy có thể có N sóng mang ,mặc dù một số sóng mang ở hai biên của phổ sẽ được đặt bằng không trong máy phát để cung cấp băng tần bảo vệ cho việc thực hiện các bộ lọc tương tự dễ dàng hơn

Chúng ta có thể mô tả tín hiệu phát đi như sau :

j k

u

e S t

(4.3.4-1)

Trong đó : Sk là biên độ phức của sóng mang thứ k ;

ωu là khoảng cách sóng mang (có giá trị 2π/Tu ,Tu là chu kỳ symbol tíich cực ) có đơn vị là rad/s ;

ωo là tần số góc của sóng mang thứ 0 (Chúng ta xủ lý nó ở trung tần IF )

Chú ý rằng đối với một số giá trị k (tương ứng với các biên của phổ ) thì

Sk=0

Trước hết ta khảo sát một máy thu lý tưởng ,tức không có nhiễu pha trong dao động nội Tín hiệu “thu lý tưởng” r(t) chỉ chịu tác động của đáp xung kênh h(t)(Channel Impulse Response).Vì thế ta có thể viết :

)

k

t k j

k k

u

e S H t

(4.3.4-2)

Trong đó: Hk là đáp ứng tần số phức của kênh ở tần số của sóng mang thứ k

Chúng ta có thể thay thế Hk Sk bằng Rk với Rk là biên độ sóng mang phức

“thu lý tưởng” khi không có nhiễu pha.Do đó công thức có thể được viết lại như sau :

j k

u

e R t

(4.3.4-3)

4.3.4b Giới thiệu về nhiễu pha

Trong một máy thu thực tế ,tín hiệu thu x(t) (tại trung tần ) chịu tác động của kênh truyền (đáp ứng xung kênh là h(t) và của nhiễu pha ϕ(t) được tạo

ra bởi các bộ dao động nội

e S H e

0

) (

)

N k

t kw j

k t

e R

Tại máy thu ,chúng ta tương quan tín hiệu x(t) này với mỗi dạng sóng mang

có thể thực hiện được để xác định các biên độ của sóng mang giải điều chế Ví dụ sóng mang thứ l ta có công thức sau :

= ∫u − + u

T

t l j u

) (

t j

u

dt e

R

e

1 0

) ( )

thực tế sử dụng biến đổi FFT của một biến đổi Fourier rời rạc (DFT) ,băng cách thay thế thuật toán tích phân bởi sự tích lũy của nhiều mẫu rời rạc và kết hợp tất cả “các bộ giải điều chế” trong một thuật toán hiệu quả Việc phát triễn tiếp theo biễu thức (4.3.4-5) cho trường hợp tổng quát là rất khó Tuy nhiên một cách đơn giản hóa nó là chú ý rằng chúng ta muốn máy thu hoạt động mà không có độ dự phòng của tín hiệu OFDM khi tính tới nhiễu pha của

bộ dao động nội Vì thế chúng ta giả sử rằng góc ϕ(t) luôn luôn nhỏ và có sự gần đúng như nhau

) ( 1

)

(

t j

! 2 1

3 2

+ +

+ +

)) ( 1

(

k

t l k j k u

u

t l k j k u

Số hạng đầu tiên là giá trị thu lý tưởng Rl mà ta hy vọng khôi phụ ,trong khi

số hạng thứ hai Yl thể hiện N đóng góp là kết quả sự hiện diện của nhiễu pha ϕ(t)

4.4 KHOẢNG BẢO VỆ (GUARD PERIOD)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thì thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ ,tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với can nhiễu giữa can nhiễu ISI (inter- Symbol interference ) gây ra bởi truyền lan nhiều đường

Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo

vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ ,làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Mỗi tải phụ trong phần

dữ liệu của mỗi symbol ,có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ ,có chiều dài bằng kích thước IFFT( được sử dụng để tạo tín hiệu ) có một số nguyên lần các chu kỳ Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục ,không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo

ra một khoảng thời gian symbol dài hơn

4.4.1 BẢO VỆ CHỐNG LẠI OFFSET THỜI GIAN

Để giải mã tín hiệu OFDM máy thu phải nhận đuợc FFT của mỗi symbol thu được để tìm ra biên độ và pha của các tải phụ Đối với hệ thống OFDM dùng cùng một tần số lấy mẫu cho cả máy phát và máy thu ,hệ thống phải dùng cùng một kích thước FFT cho cả máy thu và tín hiệu phát để duy trì sự trực giao của tải phụ.Mỗi symbol thu được có các mẫu độ dài TG+TFFT do bổ sung khoảng bảo vệ Máy thu chỉ cần các mẫu TFFT của symbol thu được để giải

mã tín hiệu Các mẫu TG còn lại là thừa ,không cần thiết Đối với kênh lý tưởng không có mở rộng độ trễ máy thu có thể dò tìm được độ lệch thời gian bất kỳ (lớn nhất là bằng khoảng bảo vệ TG) và vẫn còn đạt được số các mẫu

Hình 4.4h: Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM

đúng Do bản chất tuần hoàn của sự thay đổi khoảng bảo vệ lệch thời gian (time offset) chỉ dẫn đến sự quay pha của tất cả các tải phụ trong tín hiệu Giá trị quay pha tỉ lệ với tần số tải phụ Với tải phụ ở tần số Nyquist thì sự thay đổi là 1800 cho mỗi offset thời gian mẫu.Đã chứng minh rằng offset thời gian được duy trì không đổi từ symbol này tới symbol khác ,nên sự quay pha cho offset thời gian có thể được loại bỏ như một phần của cân bằng kênh trong môi trường multipath ISI giảm độ dài của khoảng bảo vệ ,dẫn đến lỗi offset thời gian cho phép

4.4.2 BẢO VỆ CHỐNG LẠI ISI

Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang Nếu chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và như vậy điểm không (Null ) sẽ không ở tần số đúng ,dẫ đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference) Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi bất thình lình tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo.Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ và pha của tải phụ ở điểm đầu symbol Độ dài của những ảnh hưởng thay đổi nhanh tương ứng với sự mở rông độ trễ của kênh vô tuyến Tín hiệu thay đổi nhanh là kết quả của mỗi thành phần multipath ở các thời điểm khác nhau một ít, thay đổi vecto tải phụ thu được Hình 4.2.2h chỉ ra ảnh hưởng này Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ phần trạng thái đúng của symbol Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vố tuyến Các ảnh huởng còn lại mà multipath gây ra , như thay đổi biên độ và quay pha ,thì được sửa bởi cân bằng kênh

Khoảng bảo vệ

Hình 4.4.2 h2 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ

Hình 4.4.2h1 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ chống lại các ảnh hưởng thay đổi nhanh do multipath loại

bỏ các ảnh hưởng của ISI Tuy nhiên trong thực tế các thành phần multipath

có khuynh hướng suy giảm chậm theo thời gian ,dẫn đến vẫn còn ISI ngay cả khi khoảng bảo vệ tương đối dài được sử dụng

4.4.3 OVERHEAD CỦA KHOẢNG BẢO VỆ VÀ KHOẢNG CÁCH CÁC TẢI PHỤ

Việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm tốc độ symbol ,tuy nhiên nó không ảnh hưởng tới khoảng cách tải phụ mà máy thu được Khoảng cách tải phụ được xác định bởi tần số lấy mẫu Fs kích thước FFT được sử dụng phân tích tín hiệu thu được

FFT

sN

4.5 GIỚI HẠN BĂNG THÔNG CỦA OFDM VÀ CỬA SỔ

Trong miền thời gian OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sinc được điều chế.Mỗi symbol nằn trong một khoảng thời gian xác định với hàm cửa sổ hình chữ nhật Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM

và xác định đáp tuyến tần số được tạo ra Hình 4.5h là một ví dụ dạng sóng thời gian truyền OFDM khi dùng khoá dịch pha PSK (Phase Shift Keying), biên

độ tải phụ là cố định và pha thay đổi từ symbol này tới symbol kia để truyền

dữ liệu Pha tải phụ thì không đổi đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol Những thay đổi đột biến này giữa các symbol dẫn đến

sự mở rộng trong miền tần số

Hình 4.5 h1 : Phổ tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông Tải phụ DC không được sử dụng làm cho tín hiệu đối xứng xung quanh DC

Hình 4.5 h2 : Phổ của tín hiệu OFDM 1536 tải phụ không có hạn chế băng thông

4.5.1 LỌC BĂNG THÔNG

Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ (aliasing).Trong OFDM lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM.Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng Nhìn chung lọc số cung cấp độ linh hoạt (flexible), độ chính xác và tỉ lệ cắt (cut off rate) lớn hơn nhiều lọc tương tự , làm cho chúng đặc biệt có ích cho việc hạn chế băng thông tín hiệu OFDM

Hình 4.5.1ha biểu diễn đáp tuyến tần số của OFDM không lọc Các hình 4.5.1.hb đến 4.5.1.he là các ví dụ của tín hiệu OFDM được lọc băng thông Các tín hiệu này được lọc bằng bộ đáp tuyến xung hữu hạn FIR(Finite Impulse Respone) được phát triễn khi dùng phương pháp cửa sổ (Windowing methode) Do số tải phụ được sử dụng trong các hình vẽ là nhỏ nên có thể thấy roll off của lọc FIR Trong thực tế việc loại bỏ tất cả các búp sóng bên ,nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và thực hiện thì đắt và nó giãm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR (Signal To Noise Rate ) của kênh OFDM Bộ lọc cũng tác động xấu như loại bỏ một phần năng lượng từ các tải phụ ở phía bên ngoài ;làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ Nhưng nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng do vậy cần tính đến các ảnh hưởng này khi thiết kế

hệ thống

Hình 4.5.1ha: Phổ của tín hiệu OFDM 1536 tải phụ không có hạn chế băng thông

Hình 4.5.1h2 Phổ của OFDM có 20 tải phụ có hoặc không có lọc băng thông Tải phụ trung tâm không được sử dụng

a) Phổ OFDM không có lọc băng thông.Các dạng phổ khác có được khi dùng bộ lọc FIR ,được phát triễn khi dùng hàm cửa sổ Kaiser

b) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 3 (suy giảm búp sóng bên là 89 dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 8 khoảng cách tải phụ (Bộ lọc FIR có 24 mắt (Tap)

c) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 3 (Suy giảm búp sóng bên là 40dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 2 khoảng cách sóng mang (Bộ lọc FIR 96 tap)

d) Độ rộng cửa sổ Kaiser là 1.5 (Suy giảm búp sóng bên là 40dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 8 khoảng cách sóng mang (bộ lọc FIR 12 tap) e) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 1.5 (suy giảm búp sóng bên là 40dB ).Độ rộng quá độ khoảng cách sóng mang (Bộ lọc FIR 48 tap)

4.5.2 ĐỘ PHỨC TẠP TÍNH TOÁN LỌC BĂNG THÔNG FIR

Việc dùng lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra Khó khănlà chi phí tính toán cao Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap cần thiết tương ứng với :

F

IFFT W

Ví dụ để tạo tín hiệu như hình 4.5.1h(b) cần lọc với bộ lọc 24 tap Điều này

có thể tính từ đặc điễm kỹ thuật tín hiệu.Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFFT là 64 ,do vậy IFFT=64 Hàm của sổ Kaiser với độ rông quá độ 3 được sử dụng Điều này dẫn đến suy giảm dải chặn (stop band)l à 89dB Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không được lọc là -20dBc và sau khi lọc là -109dBc Điều này phù hợp với các kết quả trong hình 4.5.1b Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là :

24 8

64 0 3

Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100) việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn

4.5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA LỌC BĂNG THÔNG TỚI CHỈ TIÊU KỸ THUẬT OFDM Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật , tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số như hình 3-20.Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol Điều này dẫn đến ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ ,do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ

Hình 4.5.3H1 mô tả chỉ tiêu kỹ thuật mô phỏng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông với các độ rộng quá độ khác nhau cho bộ lọc kênh không có nhiễu kênh Hình vẽ này chỉ ra chỉ tiêu của truyền OFDM ki offset đồng bộ thời gian bị thay đổi Khoảng bảo vệ được sử dụng trong mô phỏng này có cùng độ dài như phần IFFT của symbol Khoảng bảo vệ rất dài được sử dụng này làm cho hệ thống chịu được ảnh hưởng của offset thời gian trong một khoảng rất rộng của SNR hiệu dụng tính bằng cách trung bình hóa SNR hiệu dụng trên tất cả các tải phụ Offset thời gian bằng 0 tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát Offset thời gian âm tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần của khoảng bảo vệ symbol.(Hình 4.5.3.H2 )

ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo

vệ Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhất loại bỏ các búp sòng bên xuống thấp hơn -100dBc trong giới hạn hai khoảng cách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu

Khoảng bảo vệ trong thử nghiệm này bằng 50% thời gian symbol toàn phần Như vậy độ dài khoảng bảo vệ bằng thời gian symbol có ích

Carr.cutoff tương ứng với độ rộng quá độ của bộ lọc tính bằng khoảng cách các sóng mang

SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông phụ thuộc vào ảnh hưởng của cả ISI cà ICI

Hình 4.5.3 h1 SNR hiệu dụng như là hàm của độ lệch thời gian của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ được lọc băng thông