Ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến
MỤC LỤC
Truyền dẫn BroadBand
Amplitude Shift Keying
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang vc(t) theo tín hiệu số vd(t). ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế không kết hợp (tách sóng đ−ờng bao).
3 3 cos
3cos1
Quadrature Amplitude Modulation
Ph−ơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể coi là kết hợp của hai ph−ơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì ph−ơng pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn.
Giới thiệu về OFDM
Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang sử dụng trong FDM.
Trùc giao trong OFDM
Về mặt lý thuyết, để đạt đ−ợc giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (-∞ ữ ∞), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm. Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục đ−ợc dạng sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức.
Thu phát tín hiệu OFDM
Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi tr−ờng đa đ−ờng, do pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu. Một ý tưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu nh− các cụm bit lỗi này gồm các bit không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và nh− vậy ta đã tránh đ−ợc các cụm bit lỗi lớn.
Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)
Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị biến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa các sóng mang con (ICI). Trong thực tế, các thành phần đa đ−ờng suy giảm rất chậm theo thời gian, trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thì hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể.
Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM
Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố phổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đ−ợc gọi là bộ lọc số. Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 tr−ớc khi chuyển sang symbol khác.
Đồng bộ
Giả thiết tín hiệu lấy mẫu theo thời gian có độ dịch pha tương đối τ và độ dịch pha này không đổi suốt trong một symbol, khi đó tín hiệu ở phía thu đã. Rõ ràng ảnh h−ởng của dịch tần gây ra giao thoa giữa các sóng mang cũng tương tự như giao thoa giữa các symbol do jitter trong tín hiệu đơn sóng.
1 cos
Đồng bộ trong hệ thống OFDM
Kỹ thuật điều chỉnh và sửa tần số trong OFDM có thể chia thành hai loại: ph−ơng tiện dữ liệu (data aided) và kỹ thuật phi tuyến (non-linear techniques). Kỹ thuật phi tuyến sử dụng tính chu kỳ của tín hiệu để rút ra thành phần hài mong muốn bằng cách sử dụng toán tử phi tuyến.
Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung
Nói chung điều chỉnh khung và sửa tần số là công việc rất phức tạp, đòi hỏi cấu hình phần cứng cũng nh− phần mềm cao. Kỹ thuật ph−ơng tiện dữ liệu data aided đ−ợc áp dụng trong nhiều hệ thống thông tin số OFDM nh− HDTV, Wireless LAN.
Ước l−ợng dịch tần số
Số lần lặp lại phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N (signal to noise ratio) và yêu cầu về độ chính xác của việc −ớc l−ợng tần số.
Cân bằng
Khi tính trực giao của các sóng mang đ−ợc đảm bảo thông qua khoảng bảo vệ dùng CP (cyclic prefix) và cân bằng trong miền tần số nh− đã giới thiệu ở phần tr−ớc, thì việc cân bằng trong miền tần số cho tín hiệu OFDM trở nên rất đơn giản. Mặt khác trong hệ thống OFDM bộ cân bằng trong miền thời gian cùng với khoảng bảo vệ đã đảm nhiệm nhiệm vụ khử nhiễu ISI, do đó bộ cân bằng và khử tiếng vọng trong miền tần số khá đơn giản và hoạt động hiệu quả.
Mã hóa khối trong OFDM
Nh− đã thấy ở trên hình vẽ, sử dụng mã hóa khối không chỉ giảm đáng kể xác suất lỗi mà còn có đoạn dốc trên đặc tuyến cho phép giảm xác suất lỗi rất nhanh khi tăng một l−ợng nhỏ tỷ số tín hiệu trên tạp. Một bộ lập mã Reed-Solomon [n,k,d] sẽ ánh xạ k ký tự m mức thành n ký tự m mức với d là khoảng cách Hamming hiệu dụng (là số các ký tự khác nhau giữa các từ mã).
Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding)
Việc giải mã vòng xoắn thực chất là xác định đường có khoảng cách Hamming nhỏ nhất với từ mã nhận được trong số 2r đường có thể của sơ đồ cây mã, với r là số ký hiệu k bit đầu vào (th−ờng thì k = 1). Cần thực hiện phép cộng - so sánh - chọn ACS (Add - Compare - Select) sau: Cộng mỗi metric hiện tại với hai nhánh có thể, so sánh hai metric mới thu đ−ợc và chọn ra nhánh nào có metric lớn hơn.
![Hình 4-4 Bộ mã hóa [3, 1, 3] và giản đồ trạng thái](https://media.store123doc.com/figures/003/296/hinh-ma-hoa-gian-do-trang-thai-3296915.webp)
Mã hóa mắt l−ới (Trellis Coding)
Trong sơ đồ trên, các trạng thái đ−ợc xác định theo các bit S1S2 của thanh ghi dịch trong bộ mã vòng xoắn, các nhãn dịch chuyển trạng thái xác định tập. Với mỗi trạng thái, không chỉ bit đ−ợc mã hóa và tổng metric được lưu lại mà cả bit không được mã hóa tương ứng với điểm trong tập con mà gần nhất với mỗi symbol.
Mã hóa Turbo trong OFDM
Có hai kỹ thuật giải mã lặp là: Xác suất sau cực đại MAP (Maximum a posteriori Probability) và Giải thuật Viterbi cải tiến SOVA (Soft input Soft Output Viterbi Algorithm). Còn kỹ thuật SOVA sử dụng thuật toán đơn giản hóa của thuật toán MAP đ−ợc ứng dụng nhiều trong thực tế vì mặc dù không tối −u nh− thuật toán MAP nh−ng cấu trúc lại.
Phát thanh số DAB
Trong tr−ờng hợp khoảng thời gian tới của các tín hiệu bao gồm các tín hiệu phản xạ nhiều đ−ờng và các tín hiệu tới từ các trạm phát khác nhỏ hơn khoảng bảo vệ giữa các symbol, khi đó tính trực giao giữa các sóng mang. Các ký hiệu thông tin và mào đầu đ−ợc cài xen lần nữa, và cuối cùng là các ký hiệu đồng bộ được thêm vào trước khi điều chế vào các sóng mang tại bộ điều chế OFDM.
Truyền hình số DVB
- Loại bỏ nhiễu: Sự tồn tại đồng thời của truyền hình số và truyền hình tương tự yêu cầu hệ thống tuyệt đối không gây nhiễu với truyền hình t−ơng tự và các nhiễu băng hẹp khác, bởi vì truyền hình t−ơng tự rất nhạy cảm với nhiễu. - Các sóng mang báo hiệu thông số truyền dẫn TSP (Transmission Parameter Signalling) đ−ợc sử dụng để cung cấp các thông số liên quan tới mã hóa,điều chế nh− kiểu điều chế, phân cấp, khoảng bảo vệ, tốc độ mã hóa.
Mạng LAN không dây (Wireless LAN)
Quá trình điều chế ở đây thực chất là ánh xạ (Mapping) từng tổ hợp bit của 48 luồng dữ liệu song song theo sơ đồ điều chế (Constellation) để tạo thành 48 số phức và đ−ợc biến đổi IFFT 64 điểm và đ−ợc biến đổi song song sang nối tiếp tạo thành chy kỳ hữu ích của symbol. Mode thứ hai dựa trên hàm điều phối điểm PCF (Point coordination function) là ph−ơng pháp bỏ phiếu có điều khiển tập trung đ−ợc quản lý bởi điểm truy nhập AP (access point) và đ−ợc dùng cho các dịch vụ dữ liệu nhạy cảm với trễ.
Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL
- Tương thích phổ: Khi nhiều khách hàng đồng thời truy nhập vào các node mạng để sử dụng các dịch vụ tốc độ cao của nhiều nhà cung cấp dịch vụ với các công nghệ khác nhau thì ảnh h−ởng xuyên âm của các đôi dây đồng khác nhau trong cùng một bó cáp hay giữa các bó cáp khác nhau rất lớn. Phía thu đ−ợc thực hiện ng−ợc lại so với phía phát, tín hiệu thu đ−ợc sẽ cho đi qua bộ biến đổi ADC rồi biến đổi thành những dòng bit song song đ−a vào thực hiện thuật toán FFT và tách lấy kí hiệu Pilot để tiến hành đánh giá.
Truyền thông qua đ−ờng dây tải điện PLC
Với kỹ thuật điều chế hiện đại nh− kỹ thuật trải phổ và kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM có thể khắc phục và hạn chế được vấn đề nhiễu, tạp âm, đa đường và cải thiện tỉ lệ lỗi bit là những khó khăn chủ yếu của vấn đề truyền thông trên đ−ờng dây điện. Giải pháp để giảm thiểu những nhiễu nh− vậy là tránh truyền dữ liệu ở tần số 15734 kHz và các hài liên quan, và dùng ph−ơng pháp điều chế phân chia tần số, tránh tạp âm loại này ở các tần số không dự đoán đ−ợc.