Nghiên cứu công nghệ đa truy nhập theo tần số trực giao OFDMA luận văn tốt nghiệp đại học

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiềuvào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bướctiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữliệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu

về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển Việcnghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kếtiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây vàtạo nên “ làng thông tin toàn cầu”

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiềuvào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh

chóng và tác động qua lại của các tín hiệu

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống chonhững dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều

so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giảiquyết vấn đề này Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, vớinhững ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyềnsong song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao,khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điềuchế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính vì thế,OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao nhưInternet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọnlàm chuẩn cho hệ thống phát thanh số Do đó OFDM đang trở thành côngnghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây

di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai

2

Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mangnhư: nhạy với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn

đề đồng bộ cũng phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Để có thể áp dụng kỹthuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này

Nội dung của đồ án bao gồm 5 chương:

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔTUYẾN

Giới thiệu tổng quan các phương pháp đa truy nhập và đề cập đến những

ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp

Chương 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm

và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Chương 3 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDMTìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương phápđồng bộ trong hệ thống OFDM

Chương 4 ĐA TRUY NHẬP THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDMATìm hiểu về sự khác nhau cơ bản giữa OFDM và OFDMA, một sốphương pháp đa truy nhập và ưu nhược điểm của nó

Chương 5 MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ OFDM

Tìm hiểu ứng dụng của OFDM trong hệ thống truyền hình số mặt đấtDVB-T, và trong mạng WIMAX

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung vàphát triển mong quý thầy cô và các bạn chỉ bảo thêm

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện tử-Viễn thông,đặc biệt là cô giáo - Ts Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã hướng dẫn em hoàn thành

đồ án này

Vinh, tháng 05 năm 2011

Đặng Như Ý

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 9

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 13

1.1 Giới thiệu chương 13

1.2 Đa truy nhập theo tần số (FDMA) 13

1.2.1 Nguyên lý FDMA 13

1.2.2 Ưu, nhược điểm của FDMA 16

1.3 Đa truy nhập theo thời gian (TDMA) 17

1.3.1 Nguyên lý TDMA 17

1.3.2 Ưu, nhược điểm của TDMA 18

1.4 Đa truy nhâp theo mã (CDMA 18

1.4.1 Nguyên lý CDMA 18

1.4.2 Ưu nhược điểm của CDMA 22

1.5 Đa truy nhập theo không gian (SDMA) 23

1.6 Kết luận 25

Chương 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 26

2.1 Giới thiệu chương 26

2.2 Khái niệm OFDM 26

2.3 So sánh FDM và OFDM 27

2.4 Đơn sóng mang 28

2.5 Đa sóng mang 29

2.6 Tính trực giao 30

2.7 Cấu trúc OFDM 35

2.8 Sơ đồ khối của OFDM 36

2.8.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song 37

2.8.2 Bộ điều chế sóng mang con 38

2.8.3 Ứng dụng kỹ thuật IFT/FFT trong OFDM 39

2.8.4 Chèn khoảng bảo vệ 41

2.8.5 Chèn từ đồng bộ khung 42

4

2.8.6 Điều chế sóng mang cao tần và khuếch đại công suất 42

2.9 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 43

2.9.1 Điều chế BPSK 43

2.9.2 Điều chế QPSK 45

2.9.3 Điều chế QAM 47

2.10 Các đặc tính của OFDM 48

2.10.1 Ưu điểm 48

2.10.2 Nhược điểm 49

2.11 Kết luận 50

Chương 3 ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM 51

3.1 Giới thiệu chương 51

3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM .52

3.2.1 Nhận biết khung 53

3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 54

3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM .56

3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 57

3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM 58

3.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM 63

3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR 64

3.5 Kết luận chương 65

Chương 4 ĐA TRUY NHẬP THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDMA) 67

4.1 Giới thiệu 67

4.2 Đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDMA) 67

4.2.1 Cơ sở kỹ thuật OFDMA 67

4.2.2 Phương pháp đa truy nhập của OFDMA 68

4.3 Ưu, nhược điểm của OFDMA 71

4.4 Kết luận 73

Chương 5 MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ OFDM 74

5.1 Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T 74

5.1.1 Tổng quan về DVB-T 74

5.1.2 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB-T 77

5.1.3 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 78

5.1.4 Lựa chọn điều chế cơ sở 79

5.1.5 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 80

5.1.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 83

5.1.7 vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 85

5.2 Ứng dụng OFDM trong WiMax 86

5.2.1 Định nghĩa WiMax 86

5.2.2 Đặc điểm của WiMax 87

5.2.3 Các chuẩn của WiMax 88

5.2.4 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax 89

5.2.5 Ứng dụng của WiMax 91

5.3 Kết luận 94

KẾT LUẬN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

6

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nhằm mục đích đáp ứng được nhu cầu truy nhập ,và sử dụng hiệu quảtài nguyên vô tuyến mà các công nghệ đa truy nhập luôn được phát triển vàcải tiến, công nghệ đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDMA) với các ưuđiểm của mình đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng vào thục tế cuộcsống Đề tài đã giới thiệu và làm rõ một số vấn đề trong công nghệ OFDMA

và ứng dụng của nó trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T, và hệthống WiMAX

In order to meet the goal needs to access, and efficient use of resourcesthat wireless access technologies has always been developed and improved,multi-access technologies in online communication frequency (OFDMA )with the advantages of intelligence has been studied and applied in real life.Introduced the topic and clarify some problems in OFDMA technology andapplication in the system of terrestrial digital television DVB-T, andWiMAsystems

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Nguyên lý FDMA 14

Hình 1.2 Phương pháp song công theo tần số FDD 15

Hình 1.3 Phương pháp song công theo thời gian TDD 16

Hình 1.4 Nguyên lý TDMA 17

Hình 5 Quá trình trải phổ và giải trải phổ 20

Hình 1.6 Các công nghệ đa truy nhập 21

Hình 1.7 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ 22

Hình 2.1.: Minh hoạ sự khác nhau của OFDM và FDM 27

Hình 2.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung 28

Hình 2.3 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM 28

Hình 2.4 Truyền dẫn sóng mang đơn 29

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 30

Hình 2.6 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM 31

Hình 2.7 Tích phân của hai sóng sin khác tần số 33

Hình 2.8 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số 33

Hình 2.9 Đáp ứng tần số của các subcarrier 35

Hình 2.10 Cấu trúc OFDM trong miền tần số 35

Hình 2.11 Cấu trúc kênh con OFDM 36

Hình 2.12 Cấu trúc lát OFDM 36

Hình 2.13 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM 37

Hình 2.14 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 42

Hình 2.15 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 44

Hình 2 16 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 47

Hình 2.17 Chùm tín hiệu M-QAM 48

Hình 3.1 Các quá trình đồng bộ trong OFDM 52

Hình 3.2 Pilot trong gói OFDM 60

Hìmh 3.3 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 62

8

Hình 3.4 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC 63

Hình 4.1 Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA 68

Hình 4.2 Ví dụ của biểu đồ số thời gian và OFDMA 69

Hình 4.3 Ví dụ của biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian 70

Hình 4.4 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDMA phía phát 71

Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDMA phía thu 71

Hình 5.1 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 75

Hình 5.2 Sơ đồ khối phần biến đổi số - tương tự 76

Hình 5.3 Cấu trúc hệ thống truyền hinh số mặt đất 77

Hình 5.4 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế 78

Hình 5.5 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM 80

Hình 5.6 Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4 80

Hình 5.7 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 81

Hình 5.8 Phân bố các pilot của DVB-T 82

Hình 5.9 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 83

Hình 5.10 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 84

Hình 5.11 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ 85

Hình 5.12 Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 88

Hình 5.13 Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách 90

Hình 5.14 Mô tả hệ thống WIMAX 92

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hoá 64-QAM 39

Bảng 2.2 Các giá trị M, a n , b n tương ứng với các dạng điều chế 43

Bảng 2.3 Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế PSK .46

Bảng 4.1 Các tham số tỉ lệ OFDMA 72

Bảng 5.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB-T 74

Bảng 5.2 Tổng vận tốc dòng dữ liệu 86

Bảng 5.3 Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến 90

10

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều biến biên độ

ADSL Asymmetric Digital Suscriber

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theomã

CSMA/CA Carrier sense multiple access

with collision avoidance

Đa truy nhập theo sóng mangcảm ứng với tránh xung độtCSMA/CD Carrier sense multiple access

with collision Detection

Đa truy nhập theo sóng mangcảm ứng với phát hiện xungđột

C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu

DC Direct Current (0 Hz) Dòng điện một chiều

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DS

CDMA

Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếpDSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình quảng bá số

DVB-T Digital Video Broadcasting

Teresstrial

Truyền hình số quảng bá mặtđất

InterfaceFEC Forward Error Correcting Sự sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biển đổi Fourier nhanhFIR Finite Impulse Response

(digital filter)

Đáp ứng xung hữu hạn

FM Frequency Modulation Điều biến tần số

FOE Frequency Offset Estimation Ước lượng độ dịch tần số

FSC Frame Synchronization Code Mã đồng bộ khung

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số

ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

IDFT Inverse Discrete Fourier

đảoOFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoP/S Parallel to Serial Song song - nối tiếp

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bìnhPLC Power line communication Kỹ thuật truyền thông qua

đường dây tải điện

QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương

12

ModulationQPSK Quadrature Phase-Shift

Keying

Khóa dịch pha vuông góc

S/P Serial to Parallel Nối tiếp - Song song

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

số trực giao (OFDMA) với nhiều ưu việt so với các công nghệ khác nên ngàycàng trở thành công nghệ đa truy nhập chính.

1.2 Đa truy nhập theo tần số (FDMA)

1.2.1 Nguyên lý FDMA

Trong phương pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệthống B Mhz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn địnhcho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz Hình 1.1

14

Hình 1.1 Nguyên lý FDMA

Trong dạng đa truy nhập này các máy vô tuyến đầu cuối phát liên tụcmột số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau Cần đảm bảo cáckhoảng bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chiếm để phòng ngừa sự khônghoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động Máy thu đường xuống hoặcdường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp Như vậy FDMA làphương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một tần số cốđịnh Để đảm bảo FDMA tốt tần số phải được phân chia và quy hoạch thốngnhất trên toàn thế giới

Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của một máy thuê baophải hoặc được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảngthời gian phát thu khác nhau Phương pháp thứ nhất được gọi là ghép songcông theo tần số (FDMA/FDD, FDD: Frequency Division Duplex) cònphương pháp thứ hai được gọi là ghép song công theo thời gian(FDMA/TDD, TDD: Time Division Duplex)

Phương pháp song công theo tần số FDD là phương pháp mà người taphân chia băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai nửa: một nửa thấp(Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band) Trong mỗi nửa băngtần người ta bố trí các tần số cho các kênh (xem Hình 1.2)

Trong Hình 1.2 các cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùngchỉ số được gọi là cặp tần số thu phát hay song công, một tần số sẽ được sử

Đoạn

B MHz

dụng cho máy phát còn một tần số được sử dụng cho máy thu của cùng mộtkênh, khoảng cách giữa hai tần số này được gọi là khoảng cách thu phát haysong công Khoảng cách gần nhất giữa hai tần số trong cùng một nửa băngđược gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận (Δx), khoảng cách này phảiđược chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho trước (SNR:Signal to Noise Ratio) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau.Như vậy mỗi kênh bao gồm một cặp tần số: một tần số ở băng tần thấp và mộttần số ở băng tần cao để đảm bảo thu phát song công Thông thường ở đườngphát đi từ trạm gốc (hay bộ phát đáp) xuống trạm đầu cuối (thu ở trạm đầucuối) được gọi là đường xuống, còn đường phát đi từ trạm đầu cuối đến trạmgốc (hay trạm phát đáp) được gọi là đường lên.

Hình 1.2 Phương pháp song công theo tần số FDD [3]

Khoảng cách giữa hai tần số đường xuống và đường lên là ∆Y như thấytrên hình vẽ Trong thông tin di dộng tần số đường xuống bao giờ cũng caohơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp hơn đường xuống do công

f’n

B

f’2 f’3f’1

f3f1

x

f0

: khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận

: khoảng cách tần số thu phát

16

suất phát từ máy cầm tay không thể lớn Trong trong thông tin vệ tinh thì tuỳthuộc vào hệ thống, tần số đường xuống có thể thấp hoặc cao hơn tần sốđường lên, chẳng hạn ở các hệ thống sử dụng các trạm thông tin vệ tinh mặtđất lớn người ta thường sử đụng tần số đường lên cao hơn đường xuống,ngược lại ở các hệ thống thông tin vệ tinh (như di động chẳng hạn) do trạmmặt đất nhỏ nên tần số đường lên được sử dụng thấp hơn tần số đường xuống.Phương pháp song công theo thời gian TDD là phương pháp cả máy thu

và máy phát có thể sử dụng chung một tần số (nhưng phân chia theo thờigian) khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳtrong băng tần Phương pháp này được mô tả ở hình 1.3

H

ình 1.3 Phương pháp song công theo thời gian TDD[3]

Hình 1.3 cho thấy kênh vô tuyến giưã trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sửdụng một tần số fi cho cả phát và thu Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳnghạn trước tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian được kýhiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ởkhe thời gian được ký hiệu là Rx, sau đó nó lại phát ở khe Tx

1.2.2 Ưu nhược điểm của FDMA

Trong các hệ thống điện thoại không dây FDMA điển hình của châu Âuhiệu suất sử dụng tần số thực của các hệ thống điện thoại không dây là 20kênh/Mhz còn đối với điện thoại không dây số là 10 kênh/MHz Về mặt kếtcấu, FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyền đượcmột Erlang vì thế nếu các trạm gốc cần cung cấp N Erlang dung lượng thìphải cần N bộ thu phát cho mỗi trạm Ngoài ra cũng phải cần kết hợp tần số

vô tuyến cho các kênh này Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng

fi

FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD) Ở phươngpháp này một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian phát thu luânphiên.

Phương pháp FDMA ít nhậy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lansóng, không cần đồng bộ và không xẩy ra trễ do không cần xử lý tín hiệunhiều, vì vậy giảm trễ hồi âm

1.3 Đa truy nhập theo thời gian (TDMA)

1.3.1 Nguyên lý TDMA

Đa truy nhập theo thời gian TDMA là phương thức mà mạng phân biệtngười sử dụng theo thời gian Mạng phân biệt giữa các users khác nhau đangtruy nhập mạng để yêu cầu dịch vụ thông qua TS được ấn định tạm thời chocác users Một khi người sử dụng chấm dứt phiên liên lạc của mình thì tàinguyên (TS) sẽ được giải phóng trả lại cho mạng để có thể ấn định cho người

sử dụng khác (cho thuê bao khác đang cố gắng truy nhập mạng để yêu cầudịch vụ)

Hình 1.4 Nguyên lý TDMA [3]

Hình 1.4 cho thấy hoạt động của một hệ thống theo nguyên lý đa truynhập phân chia theo thời gian Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liêntục trong thời gian TB Sự truyền dẫn này được gọi là cụm Sự phát đi mộtcụm được đưa vào một cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung,tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này Mỗi sóng mangthể hiện một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến được mang bởitần số sóng mang fi

TS1 TS2 TS3 TS4 TSn t

f i

18

Cũng giống như FDMA thì phương pháp TDMA được chia làm haiphương pháp là TDMA/ FDD (FDD: Frequency Division Duplexing) vàTDMA/TDD (TDD: Time Division Multiplexing) Phương pháp TDMA/FDD (FDD: Frequency Division Duplexing gọi là đa truy nhập phân chiatheo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/ FDD (FDD: FrequencyDivision Duplexing) Trong phương pháp này đường lên (từ máy đầu cuốiđến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) đượcphát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc, còn ở đường xuống (từ trạm gốcđến máy đầu cuối) là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time DivisionMultiplexing) được phát đi từ trạm gốc cho các máy đầu cuối., Phương phápTDMA/TDD (TDD: Time Division Multiplexing) gọi là đa truy nhập phânchia theo thời gian với ghép song công theo thời gian được sử dụng để có thểphân bổ tần số thông minh hơn Trong phương pháp này cả hai đường lên vàđường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đườngphát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khỏangthời gian khác nhau.

1.3.2 Ưu, nhược điểm của TDMA

So với FDMA, TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn.Tuy nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảmbảo dung lượng của mạng Vì thế TDMA thường được sử dụng kết hợp vớiFDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao Nhược điểm cuả TDMA là đòihỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMA khi cần dung lượng truyềndẫn cao, ngoài ra do đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xẩy ra hiện tượng hồi âm,giá thành đắt

1.4 Đa truy nhâp theo mã (CDMA)

1.4.1 Nguyên lý CDMA

Nguyên lý trải phổ CDMA

Các hệ thống số được thiết kế để tận dụng dung lượng một cách tối đa.Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền của Shannon được mô tả trong (1.1),

rõ ràng dung lượng kênh truyền có thể được tăng lên bằng cách tăng băng tầnkênh truyền.

C = B log2(1+S/N) (1.1)Trong đó B là băng thông (Hz), C là dung lượng kênh (bit/s), S là côngsuất tín hiệu và N là công suất tạp âm

Vì vậy, Đối với một tỉ số S/N cụ thể (SNR), dung lượng tăng lên nếubăng thông sử dụng để truyền tăng CDMA là công nghệ thực hiện trải tínhiệu gốc thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền đi CDMA thường được

gọi là Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ (SSMA) Tỷ số độ rộng băng tần truyền

thực với độ rộng băng tần của thông tin cần truyền được gọi là độ lợi xử lý

(G P ) hoặc là hệ số trải phổ

GP = Bt / Bi hoặc GP = B/R (1.2) Trong đó Bt : là độ rộng băng tần truyền thực tế

Bi: độ rộng băng tần của tín hiệu mang tin

B: là độ rộng băng tần RF

R: là tốc độ thông tin

Mối quan hệ giữa tỷ số S/N và tỷ số Eb/I0, trong đó Eb là năng lượng trênmột bit, và I0 là mật độ phổ năng lượng tạp âm, thể hiện trong công thức sau : (1.3)

Vì thế, với một yêu cầu Eb/I0 xác định, độ lợi xử lý càng cao, thì tỷ sốS/N yêu cầu càng thấp Trong hệ thống CDMA đầu tiên, IS-95, băng thôngtruyền dẫn là 1.25MHz Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền khoảng5MHz

Trong CDMA, mỗi người sử dụng được gán một chuỗi mã duy nhất (mãtrải phổ) để trải tín hiệu thông tin thành một tín hiệu băng rộng trước khitruyền đi Bên thu biết được chuỗi mã của người sử dụng đó và giải mã đểkhôi phục tín hiệu gốc

Kỹ thuật trải phổ và giải trải phổ

20

Trải phổ và giải trải phổ là hoạt động cơ bản nhất trong các hệ thống CDMA Dữ liệu người sử dụng ngụ ý là chuỗi bit được điều chế BPSK có tốc

DS-độ là R Hoạt DS-động trải phổ chính là nhân mỗi bit dữ liệu người sử dụng với một chuỗi n bit mã, được gọi là các chip Ở đây, ta lấy n=8 thì hệ số trải phổ

là 8, nghĩa là thực hiện điều chế trải phổ BPSK Kết quả tốc độ dữ liệu là 8xR

và có dạng xuất hiện ngẫu nhiên (giả nhiễu) như là mã trải phổ Việc tăng tốc

độ dữ liệu lên 8 lần đáp ứng việc mở rộng (với hệ số là 8) phổ của tín hiệu dữliệu người sử dụng được trải ra Tín hiệu băng rộng này sẽ được truyền quacác kênh vô tuyến đến đầu cuối thu

Hình 1.5 Quá trình trải phổ và giải trải phổ [3]

Trong quá trình giải trải phổ, các chuỗi chip/dữ liệu người sử dụng trảiphổ được nhân từng bit với cùng các chip mã 8 đã được sử dụng trong quátrình trải phổ Như trên hình vẽ tín hiệu người sử dụng ban đầu được khôiphục hoàn toàn

Kỹ thuật đa truy nhập CDMA

Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong

đó một số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung đểtruyền và nhận thông tin Dung lượng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơbản của hệ thống Kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền đem lại khả năng thực

hiện đa truy nhập cho các hệ thống CDMA Trong lịch sử thông tin di động

đã tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau: TDMA, FDMA và CDMA

Sự khác nhau giữa chúng được chỉ ra trong Hình 2-2

Hình 1.6 Các công nghệ đa truy nhập

Trong hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho cácngười sử dụng khác nhau được truyền trong các kênh khác nhau với các tần

số điều chế khác nhau Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gianTDMA, các tín hiệu của người sử dụng khác nhau được truyền đi trong cáckhe thời gian khác nhau Với các công nghệ khác nhau, số người sử dụng lớnnhất có thể chia sẻ đồng thời các kênh vật lý là cố định Tuy nhiên trong hệthống CDMA, các tín hiệu cho người sử dụng khác nhau được truyền đi trongcùng một băng tần tại cùng một thời điểm Mỗi tín hiệu người sử dụng đóngvai trò như là nhiễu đối với tín hiệu của người sử dụng khác, do đó dunglượng của hệ thống CDMA gần như là mức nhiễu, và không có con số lớnnhất cố định, nên dung lượng của hệ thống CDMA được gọi là dung lượngmềm

pp

f1

Hình 1.7 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ [3]

Hình 1.7 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 người sử dụng có thể truy nhậpđồng thời trong một hệ thống CDMA Tại bên thu, người sử dụng 2 sẽ giảitrải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tínhiệu của bất cứ người nào khác Bởi vì sự tương quan chéo giữa mã của người

sử dụng mong muốn và các mã của người sử dụng khác là rất nhỏ: việc táchsóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lượng cho tín hiệu mong muốn và một phần nhỏcho tín hiệu của người sử dụng khác và băng tần thông tin

Độ lợi xử lý và đặc điểm băng rộng của quá trình xử lý đem lại nhiềulợi ích cho các hệ thống CDMA, như hiệu suất phổ cao và dung lượng mềm.Tuy nhiên, tất cả những lợi ích đó yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật điều khiểncông suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm, để tránh cho tín hiệu của người

sử dụng này che thông tin của người sử dụng khác

1.4.2 Ưu, nhược điểm của CDMA

CDMA có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp đa truy nhập FDMA vàTDMA như:

Cho dung lượng cao hơn

Khả năng chống nhiễu và phađinh tốt hơn

Bảo mật thông tin tốt hơn

Dồn phổ User 1 Tại đầu thu

User 1

User 2

User 3

Trải phổ tín hiệu Trên kênh truyên

Trải phổ từng tín hiệu

Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượngkênh cho từng người sử dụng.

Cho phép chuyển giao lưu lượng mềm giữa các vùng phủ sóng nhờ vậykhông xẩy ra mất thông tin khi thực hiện chuyển giao

Vì có thể sử dụng chung tần số cho nhiều người sử dụng nên quy hoạchmạng cũng đơn giản hơn

Tuy nhiên CDMA không tránh khỏi các nhược điểm sau:

Đồng bộ phức tạp hơn Ở đây ngoài đồng bộ định thời còn phải thựchiện cả đồng bộ mã

Cần nhiều mạch điện xử lý số hơn

Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chungtần số

1.5 Đa truy nhập theo không gian (SDMA)

Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) được sử dụng ở tất cảcác hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong: cả ở hệ thống tương tự và hệ thống số.Các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong cho phép đa truy nhập đến một kênh

vô tuyến chung (hay tập các kênh) trên cơ sở ô (tuỳ theo vị trí của máy diđộng trên mặt đất) Các hệ thông thông tin vô tuyến tổ ong là minh hoạ cụ thểnhất của SDMA Yếu tố hạn chế đối với kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụngtần số Tái sử dụng tần số là khái niệm chủ yếu ở vô tuyến tổ ong, trong đónhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời cùng một tần số Các người sử dụngnày phải đủ cách xa nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh(nhiễu cùng tần số) Tập các tần số trong cùng một ô có thể đựơc lặp lại ở các

ô khác trong hệ thống nếu đảm bảo đủ khoảng cách giưã các ô sử dụng cùngtần số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh Có rất nhiều sơ đồ SDMAtrong các hệ thống tổ ong hiện nay: ô mini, ô micro, ô phân đoạn, ô dù che vàcác anten thông minh Đây là các phương pháp phân chia không gian trong đócác máy di động làm việc với độ phân giải không gian cao hơn và nhờ vậy rút

24

ngắn khoảng cách giữa các người sử dụng mà không vi phạm các quy định vềnhiễu đồng kênh

1 Ô micro được phủ sóng bởi các trạm gốc có công suất rất thấp ở cácvùng mật độ lưu lượng cao trong hệ thống

2 Ô dù phủ là các ô rất lớn được thiết kế để gánh đỡ tải cho các ô micro

3 Các ô phân đoạn là các ô được phủ sóng bới các đoạn ô 1200 hoặc 600bằng các anten có tính hướng nhờ vậy tăng được dung lượng hệ thống

4 Các anten thông minh là các phát kiến mới nhất cho hệ thống thôngtin tổ ong vô tuyến Các anten này tạo ra các búp sóng khá hẹp nhờ vậy tăngđáng kể vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống Anten thông minh

Anten thông minh bao gồm hệ thống anten búp hướng chuyển mạch(SBS: Switched Beam System) hay hệ thống anten thích ứng SBS sử dụngnhiều búp cố định trong một đoạn ô và chuyển mạch để chọn búp tốt nhất choviệc thu tín hiệu Ở hệ thống anten thích ứng, các tín hiệu thu từ nhiều antenđược đánh trọng số, được kết hợp theo các tiêu chuẩn như: sai lỗi bìnhphương trung bình cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error) hay bìnhphương thấp nhất (LS: Least Squares) để đạt được tỷ số tín hiệu trên tạp âmSNR cực đại

Ưu điểm của hệ thống anten thích ứng so với SBS là ngoài việc đạtđược độ khuyếch đại M lần, nó còn đảm bảo độ lợi phân tập M lần Khi côngsuất phát không đổi các anten thông minh có thể tăng vùng phủ bằng cáchtăng hệ số khuyếch đại anten Aten có hệ số khuyếch đại tăng M lần sẽ chophép tăng vùng phủ M1/n lần, trong đó n là luỹ thừa của tổn hao đườngtruyền Nhờ vậy có thể giảm số BS M2/n lần Một SBS với M búp có thể tăngdung lượng hệ thống M lần nhờ giảm nhiễu Một hệ thống anten thích ứngcòn có thể cung cấp độ lợi bổ sung nhờ việc triệt nhiễu tốt hơn

SDMA thường được sử dụng như là một phương pháp đa truy nhập bổsung cho ba phương pháp đa truy nhập đầu tiên để tăng dung lượng cho cácmạng thông tin đa truy nhập vô tuyến sử dụng các phương pháp này [3]

1.6 Kết luận

Chương này đã xét tổng quan bốn công nghệ đa truy nhập vô tuyến cơbản được ứng dụng trong thông tin di động: FDMA, TDMA, CDMA vàSDMA Chương này cũng phân tích ưu nhược điểm của từng công nghệ.Trên cơ sở FDMA người ta đã nghiên cứu công nghệ OFDMA cho phép đạtđược dung lượng cao hơn nhiều OFDMA đã được ứng dung trong một số hệthống như hệ thống truyền hình số DVB, truyền hình cáp, mạng thuê baođường dây bất đối xứng ADSL là một ứng cử viên sang giá cho các hệ thốngthông tin di động 4G OFDMA sẽ được nghiên cứu trong các chương sau

26

2.2 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hoá

và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tớinhững tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại TrongOFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽchia thành các nguồn độc lập, mã hoá và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóngmang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison) Mặc dù

cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc mà lại có những phản ứngkhác nhau đối với nhiễu

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hoá bằng xe tải Ta cóhai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hoá (FDM) hoặc dùngmột đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hoánhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼hàng hoá bị mất mát

Hình 2.1 Minh hoạ sự khác nhau của OFDM và FDM

2.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trongtín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểmsoát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồnglấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI:inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM, tínhiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không

bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóngmang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắcphục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảmkhoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhautrùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóngmang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểmkhông của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tínhiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

28

Hình 2.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

2.4 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hình 2.3 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng

mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế vàtruyền đi chỉ trên một sóng mang.

Hình 2.4.Truyền dẫn sóng mang đơn [1]

Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát.Sau khi truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênhtruyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bịthu nhận dữ liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giaothoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đasóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang

2.5 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín 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 mộtphần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mangtải có thể khôi phục dữ liệu có ích

30

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [1]

2.6 Tính trực giao

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệukhác Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tintrên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao lànguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thôngtin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM đạt được chính làtổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kỳ saocho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbolduration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần một số nguyên lầncủa chu kỳ Hình 2.6 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ

g(t)

kênh

g*(-t)g(t)

g(t)

g*(-t)

Hình 2.6 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM

Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơntần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b), (2b),(3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu.Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thoả mãn biểu thức (2.1)     

T

j

j i C j i C dt t S t S

0 ( ) ( ) *( ) 0 (2.1)Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kếtquả bằng không

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiệntrong 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 sửdụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việcnghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao nhauvới nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vector

là bằng 0

32

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằngkhông Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây

Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta

sẽ có kết quả bằng 0 Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diệntích dưới dạng đường cong Do đó diện tích của một sóng sin có thể được viếtnhư sau:

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau thì quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.7 Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn

là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằngkhông Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

Hình 2.8 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôndương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Điều này rất quan trọngtrong quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệuthu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số FFT

34

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 thuđơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số

và pha Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừsóng mang được nhân Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, vàxác định được giá trị symbol của nó Toàn bộ quá trình này được thực hiệnnhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang được giải điềuchế

Tính trực giao trong miền tần số

Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tíchphổ của hàm sin(x)/x Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần sốtrung tâm và một số điểm không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóngmang Hiện tượng trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùngvới điểm không của các sóng mang khác về mặt tần số

Hình 2.9 (a) Frequency (carrier spacing)

Hình 2.9 (b) Frequency (carrier spacing) Hình 2.9 Đáp ứng tần số của các subcarrier

(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấycủa bộ thu OFDM

(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm)

2.7 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho

các băng bảo vệ và các sóng mang DC

Hình 2.10 Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính

là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các

36

tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho

người dùng

Hình 2.11.Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 2.12 Cấu trúc lát OFDM

Cấu trúc kênh con OFDM được phác hoạ ở Hình 2.11 Trong kí tựOFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều lànhững sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại nhữngtần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đãbiết trước Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ướclượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số Để tính toán đáp ứngtần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nộisuy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3

2.8 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Hình 2.13 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiềudòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song.Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao Sau đóđược đưa đến đầu vào của khối IFFT Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào

để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên cáckênh vô tuyến di động đa đường và tiến hành chèn từ đồng bộ khung Cuốicùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đếnnhư nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN)

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạcnhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu đượcchuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùngthuật toán FFT (khối FFT) Sau đó, tuỳ vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sựdịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngượctrở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nốitiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp

2.8.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

38

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao dovậy giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song là cần thiết để biến đổi dòngbit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữliệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sửdụng và số sóng mang Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việclàm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽđược thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữliệu nối tiếp gốc Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường(multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suygiảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớncác hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scrambler như một phầncủa giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giảixáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu

2.8.2 Bộ điều chế sóng mang con

Mã hoá kênh

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hoá sửa sai theo phương phápFEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thôngtin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép, điều này càng thể hiệnrõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hoávới kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phụclỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiệntượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại

mã hoá kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu cóxảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắcphục bởi các loại mã hoá kênh

Ánh xạ (mapping)

Sau khi đã được mã hoá và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được

điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh

được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng vớicác phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cáchkhác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ởngõ ra

Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hoá 64-QAM

Chẳng hạn, khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bitđầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thịhình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation).Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB(b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q

2.8.3 Ứng dụng kỹ thuật IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹthuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rấtnhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần mộtmáy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trườnghợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi làkhông thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chứcnăng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động