đồ án kỹ thuật điều chế số và mô phỏng trên matlab

Đồ án này làm về kỹ thuật điều chế số và giải điều chế số. Trong nài liệu này, mình đã nêu rõ thế nào là điều chế và Các giải điều chế. Mình đã sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng các kết quả của ask, psk và fsk. Các bạn có thể dựa vào bài này để làm đồ án của các bạn theo học ngành điện tử viễn thông.

Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật nàyphân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khácnhau, 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 cầntruyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mangtrực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụngdải thông một cách có hiệu quả Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn manglại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sửdụng họ sóng mang trực giao và được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giaoOFDM

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Changnăm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyềntín hiệu qua nhiều kênh con Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT vàđưa ra Guard Interval cho kỹ thuật này Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDMmới 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 điềuchế đa sóng mang OFDM như truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao khôngđối xứng ADSL và truyền thông qua đường dây tải điện PLC Song song với việctriển 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.

- Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM.

- Các ứng dụng của OFDM trong hệ thống thông tin.

Mục lục

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN DẪN SỐ

1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 5

1.1.1 Tín hiệu số 5

1.1.2 Mã đường dây Line Code 6

1.2 Truyền dẫn BroadBand 10

1.2.1 Amplitude Shift Keying 10

1.2.2 Frequency Shift Keying 12

1.2.3 Phase Shift Keying 14

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 16

1.3 Giới thiệu về OFDM 17

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM 2.1 Trực giao trong OFDM 22

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 25

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 26

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 27

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 27

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 28

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 29

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 29

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol 30

2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 32

2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 32

2.4.1 Lọc thông dải 34

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 35

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Ước lượng tham số kênh 37

3.2 Đồng bộ 39

3.2.1 Đồng bộ ký tự 39

3.2.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu 39

3.2.3 Đồng bộ tần số sóng mang 40

3.3 Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại………42

3.3.1 Định nghĩa……… 43

3.3.2 Thuộc tính thống kê……….44

3.3.3 Phương pháp giảm PAR……… .45

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 4.1 Phát thanh số DAB 50

4.1.1 Giới thiệu 50

41.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 52

4.2 Truyền hình số DVB 54

4.2.1 Giới thiệu 54

4.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 55

4.3 Mạng LAN không dây 59

4.4 Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 60

4.4.1 Giới thiệu ADSL 60

4.4.2 Đặc tính của kênh truyền 61

4.4.3 Hệ thống ADSL 63

4.5 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC 65

4.5.1 Giới thiệu PLC 65

4.5.2 Đặc tính của kênh truyền 66

4.5.3 Hệ thống PLC 68

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 viđiện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội Đâythực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công nghiệp giảiphóng 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 đếnmột khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó làtruyền dẫn số

.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand

Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu được truyền dẫn ở dạng xung có phổ vôhạn 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 mạchđơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa Để truyền dẫn tínhiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đường truyền Line Code với mụcđích:

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 thểchọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp thành , chophép 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 mộtchiều của tín hiệu số đi được Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làmtăng 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 cóbăng tần hạn chế

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)

-V

Hình 1-1 Các mã đường dây cơ bản

Do đó, ta có các loại tín hiệu trên đường truyền với dạng tín hiệu và phổ củachúng như Hình 1-1

Nhận xét:

- Để truyền đi xa cần công suất lớn.

- Để tách được tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R.

- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó mật độphổ bằng 0 (First Null Bandwidth)

Dựa vào các đặc điểm trên người ta tạo ra các loại mã đường truyền thích hợpvới tốc độ dữ liệu và môi trường truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cápquang)

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

Tốc độ (Mbps) Mã đường dây

2.0488.44834.368139.264564.992

HDB3HDB3HDB3CMICMI1.544

6.31232.06444.736

AMI, B8ZSB6ZS, B8ZSAMI (Scrambled)B3ZS

Bảng 1-1 Tốc độ các loại mã đường dây theo tiêu chuẩn của ITU

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 sótmột xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trường hợp đó sẽ xuất hiện hai xung kềnhau 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 nhiênhóa chuỗi bit được thực hiện bằng cách cộng modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiênPRBS (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 PRBSmột 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 mấtđồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành 2 mứcđiện áp - và + tương ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb

1 1 0 1 0 0 1

t+V

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 hợp000V 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 đểtránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp Nhưng cách thay thế các bit 0 củaBnZS khác với HDB3:

00000000000000000000000

0V0VB0V0B0VB0VB000VB0VB

Bảng 1-2 Quy luật thay thế của mã đường dây BnZS

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)

0

t

vd (1.3)Thì:

c d

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

w t

cos 3

1 cos

cos 2

cos 2

1

0

w t

w t

v

t v t v t v

c c

c ASK

d c

cos cos

2

cos 2 1

0 0

0 0

t w w

t w w t

w w t

w t

v

c c

c c

c ASK



(1.6)

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

Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK

ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2k Khi đómỗi 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 khôngkết 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 sóngmang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa và điều chế Trong FSKhai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:

t w t

2

1coscos

(1.10)

cos 3

1 cos

2 2

1

0 0

w t

13

cos3

1cos

22

1cos

5cos5

13

cos3

1cos

22

1cos

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

1 cos

2

1

3 cos

3 cos

3

1

cos cos

1 cos

2 1

0 2

0 2

0 2 0

2 2

0 1

0 1

0 1 0

1 1

t w w

t w w t

w w t

w

t w w

t w w

t w w t

w w t

w t

vFSK





(1.12)

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 FSKđược dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các chuẩnV21, V22, V24

1.2.3 Phase Shift Keying

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

t v v

or t

w

t w v

t

v

c

c PSK

c

c PSK

d

 cos

cos 0

cos 3

1 cos

4

0 0

w t

w t

v t v t

2

0 0

0 0

t w w

t w w t

w w t

v

c c

c c

Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK

PSK được sử dụng khá phổ biến trong điều chế số Để truyền dẫn số liệu 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 sửdụng 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 hiệulớn Người ta thường dùng 16-QAM và 64-QAM tương ứng với 4 và 6 bit trongmột 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 làmtăng dải thông của kênh truyền Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc độcao.

.3 Giới thiệu về OFDM

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) đãđược sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm, ví dụ nhưđiện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các sóng mang cótần số khác nhau cho mỗi tín hiệu Để phía thu có thể tách được các tín hiệu bằngcách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ của các sóng mang Phổcủa các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băng thông và do đó hiệu suất sửdụng băng thông của FDM là khá thấp

Điều chế đa sóng mang tương tự như FDM, song thay vì truyền các bản tinriêng 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 đổinối 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 dungcùng 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 củacác bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin được truyềnbởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mangcần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con Mặt khác hệ thốngđơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu inter-symbol interference (nhiễuISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băngtần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đasóng mang Trước khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang được sửdụng để truyền dẫn tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băngthông thấp

mod

mod mod

mod filter

filter filter

filter

` cosw 1t

sinw 1t cosw 2t

sinw 2t

`

S/P

Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu

Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến đổiFourier (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 FastFourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp Tại phía thu, bản tin gửi điđược phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tínhiệu lấy mẫu thu được Phương pháp điều chế OFDM này được đề cập đến với cáitên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone) Phổ của tín hiệu DMT trênđường truyền giống hệt phổ của N tín hiệu điều chế QAM với khoảng cách của Ntần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu như đã đề cập ở trên Trong đó mỗi sóngmang 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

IFFT Filter

Filter Sample Block

Synch FFT Equalize Unblock

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM

Tuy nhiên, biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần thực vàphần ảo Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực Điều này có thể thực hiện bằngcách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu Biến đổi IDFT cho khối2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện cho mỗi khối, chúngtương đương với N số phức

Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến đổiFourier 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 đổiFFT 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 cânbằng

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã được nghiêncứu 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 chưađược tiêu chuẩn hóa DMT đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu quađường 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 thuêbao qua đôi cáp đồng thông thường

Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi màOFDM thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình Đó là tính chống lại ảnhhưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha đinh lựa chọntần 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 quakênh vô tuyến với độ tin cậy cao

source

Outer Decoding

Inner coding

Modula tion

Cyclic ext Pulse shaping

Z ero padding

Symbol level Freq Interleaver

Bit level Interleaver IFFT

Frequency/Time Selective fading Channel, AWGN

Soft decision Inner Decoding

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 FrequencyNetwork) dùng trong phát thanh và truyền hình số Trong mạng đơn tần nhiều trạmphát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng một vùngrộng lớn trên cùng một tần số Ở phía thu tín hiệu nhận được từ nhiều trạm pháttương đương với nhiễu do phản xạ nhiều đường và không gây ảnh hưởng tới hệthống sử dụng kỹ thuật OFDM

Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng LANkhông dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ nhưng vớitốc 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 song mang OFDM sẽ còn được nghiêncứu và áp dụng trong nhiều ứng dụng khác.Hy vọng trong thời gian tiếp theo đasóng mang OFDM được sử dụng

Chương 2

Nguyên lý cơ bản của OFDM

OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đãđược biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin được truyền đi trênmột kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM được xếp vào phương thức truyền dẫn đơnsóng mang Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho cáctrạm vô tuyến biến điệu tần số Tất cả các trạm phát đồng thời nhưng không gâynhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau Dảithông các tín hiệu này được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộlọc thông dải phân biệt được tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mangkhác 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 điềuchế để nhận được tin tức cần thu Như vậy có thể thấy không có sự chồng phổ củacác 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 vìmột sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM Khái niệm sóng mang con hoàn toàngiống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là cácsóng 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 Dảiphổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang controng 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 hiệnrất 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 phổnày 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 nêncác sóng mang có thể được điều chế theo cả 2 phương thức: tương tự và số TrongOFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phương thứcđiều chế số Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một nhóm các bit được truyềnmột cách song song Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dưới dạng các khốiphổ riêng rẽ Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giaotrong 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 truyềnthông thường mà không có nhiễu giữa chúng Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liênquan đến vấn đề trực giao Kỹ thuật phân TDM truyền một lúc nhiều bản tin trênmột kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian Trong suốt thời giantruyền một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất được truyền Bằng cáchtruyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đã tránh được nhiễu giữa chúng Cácbản tin có thể được xem như là đã trực giao với nhau về mặt thời gian Kỹ thuậtFDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗitín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2tín hiệu

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóngmang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lầnnghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy, trong thời gian tồn tại symbol, mỗisóng 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 chúngvẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy cấu trúc của một tín hiệuOFDM 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 sốchu 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 củanó.

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

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

T t t

kf t

s k

0

,

2 , 1 0

) 2 sin(

)

(2.2)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 giốngnhư hình sau Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được điều chế thì dạngphổ 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 củasóng mang con khác thì bằng 0

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi được biểu diễn bởi một dạng sóngđiện 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 chỉtồn 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 chobởi phổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này có được bằng phép biến đổi Fourier dạngsóng mang trong miền thời gian Về mặt lý thuyết, để đạt được giá trị phổ chính xácthì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (-  ), tức là phảithực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm Khôngmột hệ thống kỹ thuật nào có thể làm được điều này Thực tế cho thấy chỉ cần thựchiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạngsóng 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 FourierTransform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó được gọi là phépbiến đổi Fourier ngược

Như đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang condạng 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 mangthể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóngmang con khác bằng 0 Ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thìphổ của nó không còn là liên tục mà là các mẫu rời rạc Các mẫu đó được biểu diễnbởi các khuyên tròn (o) trên hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần sốmẫu của DFT sẽ tương ứng với đỉnh của các sóng mang con Và như vậy thì sựchồng phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu Giá trị đỉnh củamột sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trựcgiao 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 rấtkhó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự Tại khốiphát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiệnphép 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 đổiFourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trongcác hệ thống thực tế Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóngmang 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 nhautrong miền thời gian Lưu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần đượcchuyển 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 antenđược chuyển về băng tần cơ sở để xử lý Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phântích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độ của các sóng mang con được nhậndiện 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 songsong là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số bit thông tin trênmột symbol phụ thuộc vào phương thức điều chế và số sóng mang con Chú ý rằngnếu ta dùng phương thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thôngtin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau Tại phía thu quá trình ngượclại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ được thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nốitiếp như ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trường đa đường, do pha đinh chọn lựatần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mứcgây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền cóthể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị phá huỷ, kết quả là cómột cụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu như cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trongtầm 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 sửalỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thường rất tốn kém Một ýtưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như các cụm bitlỗi này gồm các bit không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ởphía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗilớn Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bithay còn gọi là cài xen (interleaving) như là một phần của quá trình chuyển đổi nốitiếp song song Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bitthông tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúngđúng 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 sóngmang 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 quátrình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận đượckhông rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã Do đó với mỗi phương thứcđiều 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 mangcon một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin được truyền đi và phương thứcđiều 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 Trongmiền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tương ứng với một sóngmang con Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ được sử dụng như dải bảovệ

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, tínhiệu 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 xáchơn 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 hơnnhiều 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 trênsóng 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 thốngOFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trước mỗi symbol Dải bảo vệ củamỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu hoặc phầncuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó Thường thì người ta hay dùng phần cuốicủa 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 mộtphần tin tức của 1 symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việctruyền dẫn được liên tục, không có sự ngắt quãng giữa các symbol Hơn nữa, dảibảo 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 đểlấy ra được biên độ và pha của sóng mang con Với các hệ thống OFDM có tốc độlấy mẫu như nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước FFT phải như nhau cho cảtín 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 mẫuchính xác mà không cần bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các symbol Tuynhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý tưởng, trên mọi kênh truyềnluôn luôn có trễ truyền dẫn Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời giannày thành sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu được Lượng quaypha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con Giả sử lượng thời gian xê dịch là nhưnhau với các symbol khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàngđược 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 đượcgiảm 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 đượcgiữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì được sự trựcgiao giữa các sóng mang con Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị biến đổitrong 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) Tạibiên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi đột ngột tới giá trị mới tươngứng với symbol mới Trong môi trường đa đường, ISI sẽ gây ra sự phân tán nănglượng 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 củasóng mang con tại thời điểm bắt đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ vàpha thực sự của nó Biên độ và pha này sẽ liên tục thay đổi dưới sự tác động của cácthành phần đa đường Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễtruyền dẫn của kênh truyền Nếu trễ truyền dẫn không vượt quá dải bảo vệ thì khithực hiện FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ralỗi nhận diện pha và biên độ sóng mang Các ảnh hưởng khác của hiện tượng đađường như : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có thểđược hiệu chỉnh bởi bước cân bằng kênh truyền Việc chèn thêm dải bảo vệ đã giảiquyết được phần lớn các ảnh hưởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhưng dải bảo vệchỉ 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 vệlại 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 2-8 cho thấy kết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việc trongmôi trường đa đường Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa đường suygiảm 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 Hìnhtrên cho thấy tương quan giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) hiệu dụng và tỷ số tínhiệu trên tạp âm kênh truyền S/N hiệu dụng là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thusau bước giải điều chế Nói một cách ngắn gọn, S/N hiệu dụng đại diện cho chấtlượng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đại diện cho chất lượng kênh truyền Dễthấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ hơn S/N kênh truyền, do S/N hiệu dụng cònphải 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 chếsóng mang nên ta dùng S/N để đánh giá chất lượng thông tin của hệ thống BERứng 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 Điềunày là hợp lý bởi nếu chất lượng kênh truyền được cải thiện thì chất lượng thông tinthu 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 hưởngcủa 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 thứcđiều chế sóng mang đơn giản như BPSK, QPSK Nhưng như thế đồng nghĩa vớiviệc hiệu quả sử dụng phổ tần số sẽ thấp hơn là dùng các phương thức điều chế cấpcao 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 sẽcải 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 đềcập 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 sựphân cách giữa các sóng mang tại máy thu Khoảng cách giữa các sóng mang quyếtđịnh bởi tốc độ lấy mẫu và số điểm thực hiện FFT tại máy thu :

f 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 condạng sin đã được qua điều chế Mỗi sóng mang con được đặt trong một cửa sổ thờigian dạng chữ nhật Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol, và quyết địnhđáp ứng tần số của tín hiệu OFDM được tạo ra Hình dưới đây là một ví dụ về dạngsóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phương thức điều chế PSK Biên độcủa sóng mang là không đổi, nhưng pha thay đổi theo symbol Kết quả là tại biêngiới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột của sóng mang Kết quả của sự đổi phađột ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng lượng giữa các symbol trong miềntần 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 chấpnhận được là: Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosin)

Hình 2-10 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con

Hình 2-11 Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con

2.4.1 Lọc thông dải

Khi tín hiệu số được chuyển sang dạng tương tự để truyền dẫn thì bộ lọc đượcdùng để tránh “tạp” (aliasing) Tạp là hiện tượng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệutương tự được số hoá Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ được các búp sóng phụcủa tín hiệu OFDM Lượng búp sóng phụ được lọc bỏ phụ thuộc vào độ nhọn của

bộ lọc được sử dụng Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyếnlọc cũng như tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tương tự Do đó trong hệ thốngOFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn dải tín hiệu Hình 2-12

là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua bộ lọc Hình 2-13 là đáp ứng tần

số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùngphương pháp cửa sổ để tổng hợp Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búpsóng phụ, nhưng đồng nghĩa với nó là chi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNRhiệu dụng của hệ thống Hơn nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kểnăng lượng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con

này và gây ra ICI Như trên hình 2-13 ta có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt

bỏ một phần năng lượng ở búp sóng chính

Hình 2-12 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc

Hình 2-13 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR

với chiều dài cửa sổ bằng 3

Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM được đóng góigần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số Nhưng cũng chính nó gây ra sự sụtgiảm của S/N hiệu dụng, và những ảnh hưởng này cần phải được lưu ý tới khi thiết

kế hệ thống

2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ (cácbúp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0trước khi chuyển sang symbol khác Điều này tạo ra một sự chuyển đổi mềm dẻogiữa các symbol, do đó giảm được năng lượng của các búp sóng phụ Hình dưới đây

là cấu trúc của một OFDM symbol được chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raisedcosine)

Hình 2-14 Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau mà chỉ gây ra mộtlượng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết được Ưu điểm của việc chồngphổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăng thêm yêucầu về dải thông cho symbol

Chương 3

Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM

Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI (InterSymbolInterference, InterCarier Interference) và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sửdụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) còn có các ưu điểm làcho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênhbăng hẹp Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên cóthể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin

Hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của pha-đinh lựa chọn tần số và thựchiện điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi Fouriernhanh (Fast Fourier Transform - FFT) Ngoài ra, hệ thống OFDM còn có một số ưuđiểm trên các khía cạnh cụ thể khác như giảm độ phức tạp của máy thu

Như vậy, OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyếntốc độ cao Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cầnphải được giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:

- Ước lượng tham số kênh.

- Đồng bộ sóng mang.

- Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại.

Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu của hệ thống OFDM nếu dùngphương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý cácnhược điểm của OFDM Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người

ta sử dụng mã hoá tín hiệu OFDM

3.1 Ước lượng tham số kênh

Ước lượng tham số kênh bao gồm hàm truyền đạt của các kênh nhánh và thờigian để thực hiện giải điều chế liên kết bên thu Để ước lượng tham số kênh, có thể

sử dụng tín hiệu dẫn đường (pilot) hoặc không sử dụng tín hiệu dẫn đường

Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng tín hiệu pilot (Pilot-SignalAssisted Modulation- PSAM) Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sửdụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu đượcvới tín hiệu pilot nguyên thuỷ sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đếntín hiệu phát

Phương pháp sử dụng pilot ban đầu được sử dụng cho các hệ thống có ápdụng kỹ thuật điều chế-mã hoá (Trellis Coded-Modulation - TCM) Sau đó, phươngpháp này được phát triển để áp dụng cho các kỹ thuật khác như QAM, PSK không

mã hoá, Kết luận quan trọng được rút ra từ các nghiên cứu này là việc thực hiệnPSAM để ước lượng kênh sẽ giúp hệ thống đạt được chỉ tiêu tốt hơn so với nếukhông sử dụng ước lượng kênh Một kết luận khác là nếu thiết kế bộ ước lượngkênh để sử dụng cho trường hợp độ dịch tần Doppler lớn nhất, bộ ước lượng này sẽhoạt động tốt với độ dịch tần Doppler thực tế nhỏ hơn giá trị lớn nhất này Người tachứng minh được yêu cầu về khoảng cách thời gian giữa hai ký tự pilot là

- Lựa chọn tín hiệu pilot nhằm đảm bảo yêu cầu chống được ảnh hưởng củanhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này