Công nghệ ofdm và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

Công nghệ ofdm và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ thốngvô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹthuật số (DVB) Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà được chọn làm tiêu chuẩn chotruyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của công nghệ OFDM.Công nghệ này sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) hoặc 6817 sóng mang (chếđộ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM và tỷ lệ khoảng bảo vệcó thể là Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ dài hay ngắn.

Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngànhtruyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng nhưtruyền hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được là:

- Khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá.- Khả năng tạo nên một mạng đơn tần trong một phạm vi rộng.

Để hoàn thành được luận văn này , tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến những người đã giúp tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

Do phạm vi đề tài rộng nên những gì tôi thực hiện được qua luận văn nàychưa cung cấp nhiều thông tin về các ứng dụng truyền hình số mặt đất Dù đã cốgắng nhưng luận văn vẫn còn nhiều sai sót kèm theo những giới hạn hiểu biết về đề tài.Hy vọng đây là những kinh nghiệm hữu ích cho tôi sau này

Phần 1: Lý thuyết về công nghệ OFDM

Chương I: Khái quát chung về hệ thống thông tin vô tuyến1 Lịch sử phát triển hệ thống CELLULAR

Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đếnnay Thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanhchóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượngthuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định Trong tương lai, số lượngthuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăngvề nhu cầu của người sử dụng Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổchức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuậtđể cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin Cho đến nay hệ thống thông tin đãtrải 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 triển vào những nămcuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật (analog) Tất cả các hệ thống 1Gsử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (FrenquencyDivision Multiple Access).

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

1.1.b Các hệ thống mạng 1G

Các hệ thống mạng di động 1B 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 sửdụng rộng rãi Là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phương phápchuyển mạch - mạch (circuit switching) là chủ yếu Phương pháp đa truy cập

TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code Division MultipleAccess) được sử dụng kết hợp FDMA.

Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu.Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống:

- PCS (Personal Communication System).

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

- TDMA (Time Division Multile Access).

TDMA là mạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1GAMPS, tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung mộtkênh vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại Điện thoại TDMA có thể hoạtđộng ở 2 chế độ: analog và digital Trong thông tin TDMA thì nhiều người sử dụngmột sáng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ đểdành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo.

TDMA được chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp còn ChâuTDMA băng rộng nhưng cả hai hệ thống đều có thể được coi như tổ hợp FDMA vàTDMA và người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và cáckhe thời gian trong băng tần.

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

- CDMA (Code Division Multiple Access)

Mạng CDMA được triển khai năm 1995 Tương tự như TDMA, mạngCDMA 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 lầnvà 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 truynhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA, nhờ đó tại một thời điểm có 8thuê bao có thể sử dụng chung một kênh, GSM sử dụng cho dịchvụ truyền thoại vàfax với tốc độ 9600 bit/s.

Điện thoại GSM sử dung một SIM/card (Subcriber Indentify Module) Rờilưu 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 cácquốc gia Châu Á Thái Bình Dương GSM 1800 cũng được triển khai ở Châu Âu vàChâu Á nhưng không phổ biến như hệ thống GSM 900MHz, hệ thống GSM 1800được sử dụng phổ biến ở Châu Mỹ và Canada.

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.5 (2.5G)

1.3.a Đặc điểm

Hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động thế hệthứ 2 (2G) và thứ 3 (3G) Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói Ưuđiểm của hệ thống di động 2.5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyềndẫn.

Nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn sovới việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyểntiếp, không đòi hỏi một 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, được triển khai trên nền của hệ thống GSM sửdụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tính dựa trêntừng gói nhận, gởi đi, khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so với cách tính cướcdựa trên thời gian kết nối GPRS có thể được xem như là sự mở rộng của hệ thốngdi động thế hệ thứ 2G GSM, có khả năng cung cấp các kết nối ảo, các dịch vụtruyền số liệu với tốc độ lên đến 171.2Kbps cho mỗi user nhờ vào việc sử dụngđồng thời nhiều timeslot Bên cạnh mục đích cung cấp những số liệu mới cho cácthuê bao di động, GPRS còn được xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên3G.

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

Trong hệ thống GSM tập trung hỗ trợ cho các kết nối thoại thì mục đíchchính của GPRS là cung cấp phương tiện truy cập vào các mạng số liệu chuẩn nhưTCP/IP.

- EDGE (Enhanced Data for Global Evolution)

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

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

1.4.b Các hệ thống mạng 3G

- WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

WCDMA hay còn gọi IMT-2000 là một chuẩn của ITU (InternationalTelecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA.

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

- UMTS (Universal Mobile Telecomnication System)

UMTS là một mạng thế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu Mạng này cungcấp cho người sử dụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âmthanh, 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 máyđiện thoại di động MS (Mobile Station); Trạm gốc BS (Base Station) và trung tâmchuyển mạch điện thoại di động MSC (MobileServiceSwitchingCenter) Các phầnnày được liên kết với nhau qua đường kết nối thoại và số liệu.

- Máy điện thoại di động MS bao gồm: các bọ thu/phát RF; anten và bộ điềukhiển.

- Trạm gốc BS bao gồm các bộ thu phát RF để kết nối máy di động MS vớiMSC; anten; bộ điều khiển; đầu cuối số liệu và nguồn.

- Trung tâm chuyển mạch MSC bao gồm bộ phận điều khiển; bộ phận kết nốicuộc gọi; các thiết bị ngoại vi và cung cấp các chức năng thu nhập số liệu đối vớicác cuộc gọi đã hoàn thành.

MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS, cung cấp các chức năng điềukhiển trung tâm cho hoạt động của các BS một cách hiệu quả và để truy cập vàotổng đài của mạng điện thoại công cộng.

Các máy điện thoại di động MS, trạm gốc BS và tổng đài MSC được liên kếtvới nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu Mỗi máy di động sử dụngmột cặp kênh thu phát RF Vì các kênh lưu lượng khong cố định ở một kênh RF nàomà luôn thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển củamáy di động trong suốt cuộc gọi nên cuộc gọi đó có thể thiết lập qua bất cứ mộtkênh nào đã được xác định trong vùng đó Cũng từ những quan điểm về hệ thốngthông tin di động mà thấy rằng tất cả các kênh đã được xác định đều có thể bận dođã được kết nối đồng thời với các máy di động Bộ phận điều khiển trung tâmchuyển mạch MSC sẽ điều khiển, sắp đặt và quản lý toàn bộ hệ thống thông tinCellular.

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

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

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG2.1 Tần số và đặt tính sóng vô tuyến

Đối với đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ baogồm các đường truyền tín hiệu đơn trực tiếp, tín hiệu nhận được sẽ được tái tạohoàn chỉnh như ban đầu Tuy nhiên trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốtquá trình truyền Điều này thể hiện ở chỗ tín hiệu nhận được bao gồm các tín hiệusuy giảm, phản xạ và tán xạ từ các đối tượng ở gần như núi, cao ốc, nhà cửa, xe cộv.v

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 nơikhác Điều này là do chiều dài của đường truyền, sự tắc nghẽn của đường truyền vànhững ảnh hưởng đa đường (Multipath effects) Bất cứ vật nào mà nó chắn đườngtruyền 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 thểtránh một số phản xạ bằng cách dùng anten tốt nhưng không phải lúc nào điều nàycũng có thể thực hiện được do giá cả anten, do phải điều chỉnh hướng anten…

Đặc trưng của fading chọn lọc tần số là cường độ tín hiệu ở một vài tần số thìđược tăng cường trong khi ở một số khác thì bị suy giảm Ta thấy đáp tuyến thayđổi theo cả thời gian và tần số Suy giảm chọn lọc được thể hiện rõ ràng Khi máythu và tất cả các đối tượng gây phản xạ là cố định thì đáp tuyến tần số hiệu dùng củakênh 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 tầncó suy giản đáng kể thì ở đó sẽ có fading phẳng và việc thu sẽ bị suy giảm Khi xemxét tín hiệu có giải thông lớn hơn thì một phần tín hiệu sẽ chịu giao thoa cấu trúc vàbị suy giảm đôi khi tới mức không thu được Nhìn chung nếu tín hiệu có giải thôngcàng rộng, lớn hơn dải thông tương quan thì nó chịu nhiều sai lệch truyền, nhưngcông suất thu được toàn phần sẽ thay đổi ít hơn, thậm chí nếu có những suy giảmdáng 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 nàođó.

2.2.2 Vùng tối và Fading chậm

Độ lớn vùng tối phụ thuộc vào kích thước của các đối tượng che khuất, cấutrúc vật liệu và tần số tín hiệu RF Hầu hết các vật liệu là trong suốt cao ở tần số RFso với ánh sáng nhìn thấy,làm cho sự truyền thông lan không tầm nhìn thẳng NLOS(Non-line of sight) là có thể Tuy nhiên vẫn có nhiều vật liệu có ảnh hưởng đáng kểtới sự lan truyền sóng RF, ví dụ các toà nhà, đồi cao hấp thụ đi qua nó, tạo vùng tốichiều sâu ở đằng sau chúng Trong những điều kiện như vậy hầu hết năng lượng thuđược là do phản xạ hoặc nhiễu xạ chung quay đổi tượng chứ không phải là do tia tớitrực tiếp.

Nhiễu xạ xảy ra ở mép các đối tượng chướng ngại trên đường truyền ở mépnhiễu xạ, tín hiệu phát xạ lại nhưu mặt đầu sóng bắt nguồn từ mép nhiễu xạ Điềunày làm cho nó uốn cong như một phần quanh đối tượng Nhiễu xạ không có ảnhhưởng đáng kể đến vùng tối của ánh sáng nhìn thấy vì bước sóng ánh sáng nhỏ (0.4m-0.7m) 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 hiệunhiễu xạ Giá trị công suất thu được là tổng thành các nhánh tín hiệu này Sự chuyểnđộng của máy thu được tổng hợp thành các nhánh tín hiệu này Sự chuyển động củamáy thu, máy phát hoặc đối tượng trong môi trường sẽ dẫn đến sự thay đổi tổn haotruyền lan do sự thay đổi nhánh truyền Do bản chất đổi chậm, nhìn chung chúngđược coi như fading chậm.

2.2.3 Vùng fading Rayleigh

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

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

Nếu trong đường truyền sóng có nhiều phần ửt thăng gián phức tạp thì hầunhư 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 thựchiện bằng phương pháp thống kê.

Trong đường truyền sóng mặt đất, ví dụ như đối với điện thoại trên ô tô- phầnlớn các đường truyền có nhiều phần tử thăng gián phức tạp, vì vậy điện trường thuđược của trạm di động và trạm gốc được đánh giá bằng phương pháp sử dụng nhiềukết quả đã đánh giá và sắp xếp theo thống kê.

Chương 3: Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM3.1 Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứng dụng tại Mỹ năm1946, sử dụng băng tần 150MHz, với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênhbị hạn chế là 3 kênh Đó là hệ thống bán song công (người bên này không thể nóitrong 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 150 Mhz vàhệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 459Mhz đã được sử dụng vào năm1969 Đây là hệ thống song công, trong đó một trạm gốc BS có thể phục vụ chovùng bán kính rộng đến 80km.

Cho đến nay, công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triển vượt bậctrong những năm gần đây Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùng theo chuẩnIEEE802.11b, cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps Các tiêu chuẩn WLAN mớinhư IEEE802.11a và HyperLAN2 dựa trên công nghệ OFDM cung cấp tốc độ dữliệu tới 54Mbps Tuy nhiên trong tương lai gần các hệ thống sẽ yêu cầu các mạngWLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn 1000 Mbps Do vậy cần phải cải thiện hơn nữahiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu của các hệ thống OFDM trong các ứng dụngWLAN.

Mạng di động thế hệ thứ ba và vốn là cung cấp cho khách hàng tốc đô dữ liệucao, phạm vi dịch vụ lớn như thông tin thoại, điện thoại truyền hình (videophone)và truy cập internet có tốc độ cao Tốc độ dữ liệu cao các mạng di động tương lai cóthể được thực hiện nhờ tăng giá phổ phân phối cho các dịch vụ và bằng việc cảithiện hiệu quả phổ OFDM là một ứng cử viên tiềm năng của hệ thống mobile thếhệ 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 tintương tự Trong kỹ thuật này, băng tần tổng được phân chia thành nhiều băng tầnnhỏ Mỗi thuê bao MS được phép truyền liên tục theo thời gian trên một băng tầnnhỏ đã được cấp phát theo MS đó, do đó đó sẽ không bị trùng Mỗi băng tần baogồm băng tần tối thiểu cho việc truyền dữ liệu và hai dải tần phòng vệ hai bên đểchống nhiễu xuyên kênh.

Đặc điểm của FDMA là thuê bao MS sẽ được cấp phát một kênh đôi liên lạcsuốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể.Trạm BS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi thuê bao MS trong hệ thống diđộng.

3.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access)

Hệ thống thông tin di động TDMA được phát triển trên nền FDMA Ứngdụng kỹ thuật nén số đối với thoại để mỗi thuê bao trong hệ thống đều có thể truycập toàn bộ băng tần vô tuyến của hệ thống ở các khe thời gian khác nhau Mỗi thuêbao đợc cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung Khoảng thời gian không sửdụng giữa các khe lân cận là thời gian bảo vệ để giảm nhiễu.

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

Khuyết điểm của kỹ thuật TDMA là hiện tượng trễ truyền dẫn gây ra sự trùngchập tín hiệu giữa hai khe thời gian lân cận nếu thời gian bảo vệ của mỗi khe không

đủ Lý thuyết đã chứng minh sử 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 khethời gian phải là Gmin = 2R/C, nhưng điều này sẽ làm giảm dung lượng kênh Đểdung lượng kênh không bị giảm thì có thể sử dụng phương pháp thứ hai là không cóthời gian bảo vệ mà thay thế bằng cách điều chỉnh định thời gian phát của thuê baoMS Tuy nhiên khi nó cần phải xác định khoảng cách MS- BS và điều chỉnh địnhthời thích hợp Vì vậy, cần phải tuỳ theo đặc điểm từng hệ thống mà lựa chọnphương pháp thích hợp.

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

3.2.3 CDMA (Code division Multiple Access)

Sựpt 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 chungcùng một băng tần Cell, nhưng điều phân biệt với nhau theo các mã khác nhau Cácthuê bao có thể thực hiện cuộc gọi đồng thời mà không gây nhiễu nhờ tính khôngtương quan giữa các mã khác nhau đó Mỗi thuê bao di động MS được gán một mãriêng và kỹ thuật trải phổ tín hiệu sẽ giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhaumặc dù có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số Nếu muốn thu được tín hiệu củakênh truyền thì phải biết được mã của kênh đó.

Đặc điểm của tín hiệu CSMA là sử dụng tín hiệu cao tần, dải tần rộng hàngMHz, sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vôtuyến sử dụng có cường độ rất nhỏ và chống Fading hiệu quả hơn FDMA vàTDMA Việc thuê bao các MS trong Cell dùng chung tần số khiến cho thiết bịtruyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề vàchuyển giao trở thành mềm Điều khiến dung lượng trong Cell rất linh hoạt Hệthống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số như TDMA nhưng với tốc độ bit thayđổi 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 triển của công nghệ CDMA

Thế kỷ 20 là thời kỳ bùng nổ thông tin trên thế giới và cũng là thời kỳ đánhdấu 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 truycập phân chia theo thời gian TDMA với ứng dụng rộng rãi của mạng GSM Có thểkhi nghe đến kỹ thuật trải phổ với ứng dụng rộng rãi của đa truy cập phân chia theomã CDMA, nhiều người lầm tưởng đây là công nghệ mới ra đời sau này, bởi nó chỉđược 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 thếgiới thứ hai Tại Mỹ, vào năm 1940, một nữ diễn viên Hollywood đồng thời là nhàsáng chế tài năng George Antheil, là một nhạc sĩ dương cầm, khi chiến tranh thếgiới lần hai sắp nổ ra, đã đồng thời sáng chế ra một cách điều khiển ngư lôi bằngcách gửi tín hiệu vô tuyến ngẫu nhiên, nhảy liên tục từ tần số này sang tần số khácđể tránh 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 hệthống điều khiển nhảy tần đầu tiên cùng một mẫu tám mươi tần số, bằng số phímchính xác trên cây đàn dương cầm Mặc dù các nhà phát minh đã cố gắng miệt màiđể thúc đẩy việc thực thi các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm nhưng hảiquân Mỹ đã loại bỏ xem như một giải pháp không khả thi Phát minh này bị chìmvào quên lãng đến năm 1947 khi các kỹ sư tại phân viện hệ thống điện tử Sylvaniatại Buffalo New York tiếp tục ý tưởng này Họ đã dùng công nghệ này vào việcthông 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 vàonhững năm 80 đã tiết lộ bí mật về công nghệ này mà bây giờ chúng ta được biết đếncông nghệ CDMA.

Công nghệ này đã sớm gây được chú ý của công nghệ Wireless mới pháttriển Công nghệ CDMA kết hợp chặt chẽ với trải phổ, hoạt động bởi việc số hoácác cuộc đối thoại kèm theo một mã chỉ được biết bởi nơi phát và nơi thu, chia tínhiệu thành các bit và sau đó kết nối chúng lại Công nghệ này rất được ưa dùngtrong quân đội vì tín hiệu mã hoá với hàng triệu kết hợp khác nhau làm cho việctruyền rất an toàn.

Công nghệ CDMA đã chứng minh tính hữu dụng rất cao trong mạng thôngtin di động Cellular bởi nó cung cấp một phương pháp mã hoá rất an toàn cho mọingười 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 trênthế giới hiện nay Công nghệ này đã chứng minh ưu thế nổi bật trong việc sử dụngphổ tần vô tuyến bởi nó cho phép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ đồng thời mộtkhoảng băng tần mà không gây can nhiễu lẫn nhau, không như các công nghệ trướcđây 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 1952 vàđược áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1962 nhờ tính bảo mật cao.Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong nhữngnăm 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 thông tin Cellularcủa Qualcomn - Mỹ năm 1990.

Công nghệ CDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã và ứng dụngtrong kỹ thuật trải phổ Điều này khắc phục được những nhược điểm của hai côngnghệ FDMA và TDMA trước đó Mặc dù công nghệ CDMA mới phát triển gần đâynhưng sự phát triển của nó rất nhanh chóng chỉ riêng địa bàn Châu Mỹ và Châu Á -Thái Bình Dương, đến cuối năm 1995 đã lắp đặt khoảng 11000 trạm gốc Đặc biệttại một số nước như Mỹ, Nhật đã đặt công nghệ viễn thông CDMA là hệ thống viễnthông thế hệ thứ 3.

Chương 4: Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDMA Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giap Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency DivisionMultiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyênlý của FDM đểcho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn Tuy nhiên nó cho phéphiệu quả tốt hơn.

OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đàiphát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sựngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạmvới các trạm khác Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tínhiệu 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 đặcnhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộthời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt hơn can nhiễu giữa những sóngmang Các sóng mang này chống lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây cannhiễu giữa các sóng mang (Inter - Carrie Interference (ICI)) do bản chất trực giaocủa điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoản bảo vệ tần số lớn giữanhững kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiênvới OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảovệ cải thiện hiệu quả phổ.

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạtín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Mộtphạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tinlà dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm:Điều chế tấn số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên(SSB), V estigial Side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier(DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoádịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK) điều chế QAM.

OFDM còn có tên gọi khác là " Điều chế đa sóng mang trực giao" dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc

(OMCM-độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trungtâm nghiên cứu CCETT ( Centre Commun d'Étude en dédiffution etTéléccomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phươngpháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiềusóng mang, mỗi sóng mang được điều chế tiêng biệt với tốc độ bit thấp Trong côngnghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằngkhông có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa nhữngsóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM,nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trongchu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa haychồng phổ.

4.1 ĐA SÓNG MANG (MULTICARRIER)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóngmang ,mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải trên cả băng thôngthì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bịmất ,trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục lại dữ liệucó 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 Đểhồi phục dữ liệu đã mât người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC- ForwadError Correction) Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọcthông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóngmang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.

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

Thật ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980 Nhưng dolúc đó còn hạn chế về mặt công nghệ (khótạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đasóng 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 mạchtích hợp Phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn.

4.2 SỰ TRỰC GIAO (ORTHOGONAL)

" ORTHOGONAL" chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữacác tấn số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thôngthường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu cóthể 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 sóngmang khác nhau và việc đưa các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổcủa hệ thống.

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biêncủa chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác màkhông có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mangphải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giảiđiều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phântrên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mangkhác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳsymbo ), thì kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóngmang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bộisố của 1/  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 nhómtrực chuẩn (Orthonmal basis)

Như vậy i ( )t  sin(n2 / ,t T cos m( 2 /t T với Tu T1  T11

Ngoài ra có thể biểu diễn trực giao theo hàm phức

i( )t  ji2 /t Tu/i 0,1,  có tính chất:

1( )( ) 0 #

i kt  t dt    i k

Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là  f 1/Tu.

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  đến .

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trongmiền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý hiệu số DSP (Digital SignalProcessing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm viDSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vecto Theođịnh nghĩa, hai vecto được goii 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 tưởngnhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không.(VD 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 chúngta sẽ có kết quả là 0 Quá trình tích phân có thể đựoc xem xét khi tìm ra diện tíchdưới dạng đường cong Do đó diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau:

20

Biên độ

Hình : 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 làhai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằngkhông.Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Nếu hai tích phân khác tấn số thì:

Hình : Tích phân của các sóng sin có 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 Đây là cơ cấu rất quan trọng choquá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từmiền tấn số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Foirier (FFT).

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digitaldomain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với mộtsóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha, Sau đó phéptích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mangđược nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra hiệu quả và các giá trị symbol củanó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóngcho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mag 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 dùngnhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy bịảnh 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 đểtránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng cacsóng mang trực giao, khi đó các sóng mang trực giao có thể trùng lặp nhau mà vẫnkhông 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 thuvận hành như thế nào và cũng cung cấp một số công cụ để hiểu rõ những tác độngkhông hoàn hảo trong kênh truyền.

Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dãi thông hẹpđược đặt cách nhau chính xác trong miền tần số Để tránh việc sử dụng một sốlượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số lượng lớn bộ lọc và bộgiải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lýtín hiệu số hiện đại.

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

Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t) Cả Ac(t)và c(t) (Biên độ và phatương ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi Symbol cơ bản Đối với điềuchế QPSK, biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn gócphần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường Đối với symbol thứ p, trênkhoảng thời gian (p-1) t p , c( )t sẽ chiếm một giá trị tập hợp góc 00, 900,1800, 270.

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

( )0

Tất nhiên, đay là một tín hiệu liên tục Nếu dạng sóng của mỗi phần tử tínhiệu trên một chu kỳ symbol trên một chu kỳ được xem xét thì các biến số Ac(t) và

kTN

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Cóthể xem tập hợp các sóng mang phát đi  m là một mạng trực giao được cho bởicông thức:

(Nhớ rằng p và q là hai số nguyên)

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/ , đạt đến yêu cầu qiu định củatính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn  Nếu tích phân đượcmở rộng ra cả pha của mỗi sóng mang thì biểu thức (4.2.1)được sửa lại như biểuthức (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 mộtthuộc tính cho phép truyền tín hiệu một cách hoàn hảo trên một kênh chung và pháthiện chúng mà không có can nhiễu Việc tổn hao tính trực giao làm sút kém kết quảnhững tín hiệu thông tin này và giảm phẩm chất thông tin và nhiều sơ đồ ghép kênhtrực giao Ghép kênh theo thời gian (TDM) cho phép đồng nhất cho mỗi tín hiệuthông tin riêng biệt Trong mỗi khe thời gian chỉ một tín hiệu từ một nguồn đơn thìđược, khi truyền ngăn ngừa can nhiễu bất kỳ giữa nhiều nguồn thông tin Do vậyTDM này trực giao về bản chất Trong miền tần số, đa số các hệ thống FDM trựcgiao vì mỗi tín hiệu truyền riêng biệt được để cách ly nhau theo tần số để ngăn ngừacan nhiễu

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang nhiều sóng mang, mỗisóng mang tải một phần dự liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông tin khichịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến 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 khôi phục dữ liệu có ích.Điều này tương đương khi ghép theo tần số (FDM).

Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit nhất, nhiều dữ liệu gốc sẽđược thu chính xác Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗitiến (FEC-Forward Error Correction) Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khidùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễugiữa các sóng mang(ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Mặc dù những phương pháp này là trực giao thuật ngữ OFDM đã được dànhriêng cho một dạng cho một dạng đặc biệt là FDM Những tải phụ trong OFDMđược đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao củachúng OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp mối một trongcác tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDMđược tạo thành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tảiphụ Dãy tần số cơ bản của mỗi tải phụ đựơc chọn là số nguyên lần thời giansymbol Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong mộtsymbol 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 phổcủa nó Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc(sin (x)/x) Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo củakhoảng cách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cốđịnh (TFFT) Thời gian sumbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tảiphụ 1/TFFTHZ Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miên thời gian dẫn đến dáptuyến tần số sinc trong miền tần số Dạng sinc có 1 búp chình hẹp, với nhiều búpbiên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm Mỗi tải phụcó một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo cáclỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền làkết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tài phụ khác Khi tínhiệu này được 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 tấnố vì khó tạo ra những banklớn các bộ dao động và những máy thu khoá pha trong miền tương tự

Hình 4.3.1 là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phátbiến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tài phụ Sau đó nóbiến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổiFourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Tranform) Biến đổi nhanh Fourierđảo (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 cảcác hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tínhtoán được phách lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại vớimáy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổiFourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và phacủa các tải phụ được chọn ra và chọn biến đổi ngược lại thành dữ liệu số.

Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) là hàm bổsung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào liệu tín hiệu đang đượcthu hoặc đang được phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phânbiệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau.

Tín hiệu OFDM băng gốc

4.3.1 Nối tiếp - song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp Trong OFDM, mỗisymbol thường truyền 40 - 4000 bit và do vậy giai đoạn biến đổi song song thànhnối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng, bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyềntrong mỗi symbol OFDM Dữ liệu được phân phối cho mỗi symbol phụ thuộc vàosơ đồ điều chế được sử dụng và trên mỗi tải phụ có thể thay đổi và như vậy số bittải phụ cũng thay đổi Kết quả là giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song baohàm việc làm đầy payload của mỗi tải phụ Tại máy thu quá trình là ngược lại, vớidữ 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 giảmnghiêm trọng, có thể gây ra các lỗi bit Các null này trong đáp tuyến tần số của kênhcó thể làm cho thông tin trong những sóng mang kế cận dễ bị phá huỷ, tạo thànhcụm mỗi bit trong mỗi symbol Phần lớn các sơ đồ của lỗi tiến (FEC) làm việc cóhiệu quả hơn nếu các lỗi được trải rộng ra, hơn là tạo thành bó, và vì vậy để cảithiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống dùng xáo trộn dữ liệu (scrambing) nhưmột phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Điều này khôi phục dãybit dữ liệu gốc nhưng trải rộng các cụm lỗi bit làm cho chúng được phân bố gần đềutheo thời gian Sự ngẫn nhiên hoá vị trí của các lỗi bit như vậy cải thiện chỉ tiêu kỹthuật sửa lỗi tiến (FEC) và nhìn chung của cả hệ thống.

4.3.2 Điều chế tải phụ

Cữ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vào biênđộ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha vàvuông pha Hình 4.3.2 ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM, ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectoduy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ Một số lớn so đồ điều chế là cósẵn, 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 khithực hiện.

Hình 4.3.2 h1 Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ,16-QMA , với mãGray dữ liệu tới mỗi vị trí.

4.3.3 Điều chế RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là tín hiệu basebank, tín hiệu này phải đượcdịch (hoặc phách - UpConverte) lên tần số cao để phát đi Điều này có thể đượcthực hiện khi dùng kỹ thuật tương tự như ở hình 4.3.3.a hoặc dùng dịch tần số nhưhình 4.3.3.b Cả hai kỹ thuật trên đều thực hiện cùng một thuật toán, tuy nhiên kỹthuật điều chế số có khuynh hướng trở nên chính xác hơn do sự phối hợp được cảithiện 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 để nó.

4.3.4.a 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 điềuchế tín hiệu OFDM Do vậy có thể thể có N sóng mang, mặc dù một số sóng mangở hai biên của phổ sẽ được đặt bằng không trong máy phát để cung cấp băng tầnbảo 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:

 

Sk là biên độ phức tạp của sóng mang thứ k;

u là khoảng cách sóng mang (có giá trị 2/Tu, Tu là chu kỳ symbol tích cực)có đơn vị là rad/s;

0 là tần số góc của sóng mang thứ 0 (chúng ta xử 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 daođộng nội Tín hiệu "thu lý tưởng" r (t) chỉ chịut ác động của đáp xung kênh h (t)(Channel Impulse Response) Vì thế ta có thể viết:

4.3.4.b Giới thiệu về nhiễu pha

Trong một máy thu thực tế , tín hiệu thu x 9t) (tại trung tần) chịu tác dodọngcủa kênh truyền (đáp ứng xung kênh là h(t) và của nhiễu pha  (t) được tạo ra bởicác bộ dao động nội.

Vì thế có thể viết:



T 0

Phương thức này mô tả quá trình được sử dụng trong một máy thu giả định vớicác bộ giải điều chế tương quan tích phân và loại trừ (Correllator / Integrate - and -Dump Demodulators) cho mỗi sóng mang Các máy thu thực tế sử dụng biến đổiFFT của một biến đổi Fourier rời rạc (bằng cách thay thế thuật toán tích phân bởi sựtích luỹ của nhiễu mẫn rời rạc và kết hợp tất cả "các bộ giải điều chế" trong mộtthuật toán hiệu quả Việc phát triển tiếp theo biểu thức (4.3.4-5) cho trường hợptổng quát là rất khó Tuy nhiên một cách đơn giản hoá nó là chú ý rằng chúng tamuốn máy thu hoạt động mà không có độ dự phòng của tín hiệu OFDM khi tính tớinhiễu pha của bộ dao động nội Vì thế chúng ta giả sử rằng góc  (t) luôn luôn nhỏvà có sự gần đúng như nhau:

))(1

4.4 Khoảng bảo vệ (GUARA PERIOD)

Hình 4.4 h: Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM

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

Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảovệ 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 củamỗi symbol, có nghĩa là symbol (được sử dụng để tạo tín hiệu) có một số nguyênlần các chu kỳ Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo

đầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symboldài hơn.

4.4.1 Bảo vệ chống lại OFFSET thời gian

Để giải mã tín hiệu OFDM máy thu phải nhận được FFT của mỗi symbol thuđược để tìm ra biên độ và pha của các tải phụ Đối với hệ thống OFDM dùng cùngmột tần số lấy mẫu cho cả máy phát và máy thu, hệ thống phải dùng cùng một kíchthước FFT cho cả máy thu và tín hiệu phát để duy trì sự trực giao của tải phụ Mỗisymbol thu được có các mẫu độ dài TG + TFFT do bỏo sung khoảng bảo vệ Máy thuchỉ cần các mẫu TFFT của symbol thu được để giải mã tín hiệu Các mẫu TG cònlại là thừa, không cần thiết Đối với kênh lý tưởng không có mở rộng độ trễ máy thucó thể dò tìm được độ lệch thời gian bất kỳ (lớn nhất là bằng khoảng bảo vệ TG) vàvẫn còn đạt dược số các mẫu đúng Do bản chất tuần hoàn của sự thay đổi khoảngbảo vệ lệch thời gian (time offset) chỉ dẫn đến sự quay pha của tất cả các tải phụtrong tín hiệu Giá trị quay pha tỉ lệ với số tải phụ Với tải phụ ở tần số Nyquist thìsự thay đổi là 1800 cho mỗi offset thời gian mẫu Đã chứng minh rằng offset thờigian được duy trì không đổi từ symbol này tới symbol khác, nên sự quay pha chooffset thời gian có thể được loại bỏ như một phần của cân bằng kênh trong môitrường multipath ISI giảm độ dài của khoảng bảo vệ, dẫn đến lỗi offset thời giancho 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 đổitrong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang Nếu chúng bịthay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và nhưvậy điểm không (Null) sẽ không ở tần số đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóngmang ICI (inter - Carier Interference) ở biên của symbol biên độ và pha thay đổibất thình lình tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo Trong môitrường multipatl ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sựthay đổi nhanh biên độ và pha của tải phụ ở điểm đầu symbol Độ dài của nhữngảnh hưởng thay đổi nhanh tương ứng với sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến.Tínhiệu thay đổi nhanh là kết quả của mỗi thành phần multipath ở các thời điểmkhác nhau một ít, thay đổi vecto tải phụ thu được Hình 4.2.2.h 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 đựơc lấy từ phầntrạng thái đúng của symbol Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI Để khắc phục ISIthì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trữ của kênh vô tuyến Các ảnhhưởng còn lại mà multipath gây ra, như thay đổi biên độ và quay pha, thì được sửabởi cân bằng kênh.

Không có multipath Khoảng bảo vệ

Kênh có multipath

bảo vệ

Multipath gây ra phản chu kỳ pha ổnxạ tới ISI dẫn đến định FFT đượcdịch pha khi có tính trên chu sóng phản xạ tới kỳ này

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

Khoảng bảo vệ chống lại các ảnh hưởng thay đổi nhanh do multipath loại bỏ cácảnh hưởng của ISI Tuy nhiên trong thực tế các thành phần multipath có khuynhhướng suy giảm chậm theo thời gian, dẫn đến vẫn còn ISI ngay cả khi khoảng bảovệ tương đối dài được sử dụng.

4.5 Giới hạn băng thông của OFDM và cửa sổ

Trong miền thời gian OFDM là tương đương với tổng của sóng mang hìnhsinc được điều chế Mỗi symbol nằm trong một khoảng thời gian xác định với hàmcửa sổ hình chữ nhật Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác địnhđáp tuyến tần số được tạo ra Hình 4.5h là một ví dụ dạng sóng thời gian truyềnOFDM khi dùng khoá dịch pha PSK (Phase Shift Keying), biên độ tải phụ là cốđịnh và pha thay đổi từ symbol này với symbol kia để truyền dữ liệu Pha tải phụ thìkhông đổi đối với toàn bộ symbol này tới symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa cácsymbol Những thay đổi đột biến này giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trongmiền tần số.

Hình 4.5 h1 : Phổ tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băngthông 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 băngthông.

4.5.1 Lọc băng thông

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

Hình 4.5.1 ha biểu diễn đáp tuyến tần số của OFDM không lọc Các hình4.5.1.hb đến 4.5.1 he là các ví dụ của tín hiệu OFDM được lọc băng thông Các tínhiệu này được lọc bằng bộ đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùnghương pháp cửa sổ (windowing methode) Do số tải phụ được sử dụng trong cáchình vẽ là nhỏ nên có thể thấy roll off của lọc FIR Trong thực tế việc loại bỏ tất cảcác búp sóng bên nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và thực hiện thì đắt và nó giảm tỉ

lọc cũng tác động xấu như loại bỏ một phần năng lượng từ các tải phụ ở phía bênngoài, làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI, bộ lọc códạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trongmiền 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 4.5.1 h1 : Phổ của tín hiệu OFDM tải phụ không có hạn chế băng thông.

Hình 4.5.1 h2 : 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 dùngbộ lọc FIR, được phát triển khi dùng hàm cửa sổ Kaiser.

v Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 3 (suy giảm búp sóng bên là 89 dB) Độ rộngquá 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 rộngquá 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 rộngquá 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 búpsóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra Khó khăn là chi phí tính toán cao Để thực hiệnbộ lọc băng thông FIR số tap cần thiết tương ứng với:

ở đây Ntaps là số tap trong bộ lọc FIR, WT là độ rộng quá độ của hàm cửa sổđược dùng để tạo bộ lọc FIR, IFFT là kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệuvà FT là độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hoá khoảng cách tải phụ Ceil là phép làmtròn về phía lớn hơn ví dụ ceil (1.1) = 2.

Ví dụ để tạo tín hiệu như hình 4.5.1.h (b) cần lọc với bộ lọc 24 tap Điều nàycó thể tính từ đặc điểm kỹ thuật tín hiệu Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thướcIFFT là 64, do vậy IFFT = 64 Hàm cửa sổ Kaiser với độ rộng quá độ 3 được sửdụng Điều này dẫn đến suy giảm dài chặn (stop band) là 89 dB Công suất búpsóng bên của tín hiệu OFDM không được lọc là -20dBc và sau khi lọc là -109 dBc.Điều này phù hợp với các kết quả trong hình4.5.1b Độ rộng quá độ của hàm cửa sổđược sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là:

Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích luỹ MAC (Multiplyand Accumulate) như kết quả của các mẫu phức và như vậy đối với tần số lấy mẫu20 Mhz số phép tính sẽ là 20 x 106 x 24 x 2 = 960 triệu MAC.

Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100) việc thựchiện 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 suygiảm dạng sinc trong miền tần số như hình 3-20 Nếu dùng bộ lọc băng thông đếntín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làmchodạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol Điều này dẫn đếnISI làm giảm chi tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùngkhoảng bảo vệ có độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offet thời gian để đồng bộ giữacác khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.

Hình 4.5.3.H1 mô tả chi tiêu kỹ thuật mô phỏng của tín hiệu OFDM được lọcbăng 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 thayđổi, khoảng bảo vệ được sử dụng trong mô phỏng này có cùng độ dài như phầnIFFT của symbol KHoảng bảo vệ rất dài được sử dụng này làm cho hệ thống chịuđược ảnh hưởng của offset thời gian trong một khoảng rất rộng của SNR hiệu dụngtính bằng cách trung bình hoá SNR hiệu dụng trên tất cả các tải phụ Offset thờigian bằng o tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệuphát Offset thời gian âm tương ứng với việc thu nhận được FFT đúng và một phầncủa 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 cácbúp sóng 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.

Car cutoff tương ứng với độ rộng quá độ của bộ lọc tính bằng khoảng cáchcác sóng mang.

SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông phụ thuộc vào ảnhhưởng của cả ISI và ICI.

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

4.6 Khoảng bảo vệ COSIN tăng RC (RAISED COSINE GUARDPERIOD)

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để triệt các búp sóng bên của tínhiệu OFDM là uốn tròn khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM giảm từ từ nó tới khôngtrước symbol tiếp theo Sự giảm từ từ này làm chuyển dịch trơn tru giữa các symboldẫn đến giảm công suất các búp sóng bên.

Hình 4.6h mô tả một symbol OFDM đơn với khoảng bảo vệ có dạng hìnhcosin tăng RC Phần này của khoảng bảo vệ có dạng hình cosine bình phương (cos)do vậy có tên cosine tăng.

Phần cosine tăng của khoảng bảo vệ có thể chồng lấp với các symbol trước vàsau vì nó chỉ cung cấp sự bảo vệ tối thiểu chống lại muktipath và lỗi thời gian và bịmáy thu làm ngơ Vì phần này làm giảm dần tới không, nêm nó dẫn tới không, nên