Nguyên lý và ứng dụng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

Truyền dẫn BroadBand

Nếu nh kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp với kênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp để cho phép truyền đợc qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín hiệu đợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang nh trong điều chế đơn biên (SSB). Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đờng bao đợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying).

Nh vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh dạng phổ của tín hiệu ASK nhng với hai thành phần sóng mang có tần số f1 và f2, và khoảng cách giữa chúng là fs.

Giới thiệu về OFDM

Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con. 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.

Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cËy cao.

Đồng bộ và Cân bằng

Đồng bộ

Trong đó Xc(f) là biến đổi Fourier của tín hiệu alalog đợc lặp lại một cách định kỳ tơng đơng với tín hiệu phát ra bởi máy phát IFFT. Nh vậy, độ dịch pha theo thời gian hay độ méo pha của đờng bao không ảnh hởng đến tính trực giao của các sóng mang con. Rõ ràng ảnh hởng của dịch tần gây ra giao thoa giữa các sóng mang cũng tơng tự nh giao thoa giữa các symbol do jitter trong tín hiệu.

Hiện tợng này gây ra nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-Carier Interference) và đây là một vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM. Để tránh nhiễu ICI gây ra bởi dịch tần, biến đổi Fourier của hàm cửa sổ phải có giá trị 0 tại điểm là bội số của tần số symbol. 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 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. Điều này đợc thực hiện bằng cách tạo ra sự tơng quan giữa tín hiệu đến với thành phần mào đầu (preamble) biết trớc. Bởi vì dịch thời gian không ảnh hởng đến tính trực giao của các symbol do đó có thể bù thời gian sau biến đổi FFT.

Để đánh giá dịch thời gian, ta phải giải bài toán hồi quy với một biến thích hợp đặc trng cho ảnh h- ởng của pha đinh trong kênh. 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 lợng tần số.

Cân bằng

Tuy nhiên trong trờng hợp cần truyền dữ liệu với tốc độ cao trong kênh truyền có sự phân tán thời gian lớn thì phải dùng đến bộ cân bằng là. Cân bằng trong miền tần số, khi không có giao thoa giữa các sóng mang ICI (inter-channel interference) đợc dùng để bù cho hệ số khuyếch đại của kênh tại các tần số sóng mang khác nhau. Tuy nhiên, nếu đáp ứng xung của kênh bị trải ra lớn hơn khoảng bảo vệ của symbol, khi đó nhiễu ISI sẽ xuất hiện làm giảm hiệu năng của hệ thống.

Khi tính trực giao của các sóng mang đợc đảm bảo thông qua khoảng bảo vệ dùng CP (cyclic prefix) và cân bằng trong miền tần số nh đã giới thiệu ở phần trớc, thì việc cân bằng trong miền tần số cho tín hiệu OFDM trở nên rất đơn giản. Do đó, bộ cân bằng trong miền tần số chỉ gồm các bộ điều chỉnh riêng biệt cho hệ số khuyếch đại cho và pha của các sóng mang hay nói cách khác là điều chỉnh các vùng quyết định riêng lẻ. Nếu ta sử dụng bộ khử tiếng vọng cho phép khử tín hiệu echo xuống thấp hơn nhiễu đờng truyền 10dB thì tín hiệu echo ở phía thu phải thấp hơn -80 dB.

Nếu phần tiếng vọng của tín hiệu truyền đi vẫn giữ nguyên đợc tính trực giao, thì việc khử tiếng vọng có thể đợc thực hiện dễ dàng sau khi giải điều chế ở máy thu. 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. Trong các ứng dụng không đối xứng nh ADSL thì sử dụng kỹ thuật phân theo tần số không làm giảm đáng kể hiệu suất sử dụng băng thông vì hớng truyền tốc độ thấp có băng thông khá hẹp.

Hệ thống không đối xứng sử dụng kỹ thuật OFDM có tốc độ symbol ở hai hớng là bằng nhau, nhng số lợng sóng mang trên mỗi h- ớng là khác nhau. Trong trờng hợp ngợc lại khi tốc độ phát lớn hơn tốc độ thu, đầu vào của bộ khử trong miền tần số đợc giảm xuống bằng cách gấp một nhóm các symbol và gộp vào để tạo ra một số lợng sóng mang bằng ở phía thu.

M hóa kênh ã

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 lợng nhỏ tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N. Nếu trong mỗi chu kỳ chuyển mạch có k bit đầu vào thanh ghi dịch (k < m) thì tốc độ mã hóa sẽ là k/n, tức là với k bit đầu vào bộ mã hóa vòng xoắn sẽ cho n bit đầu ra. Việc giải mã vòng xoắn thực chất là xác định đờng có khoảng cách Hamming nhỏ nhất với từ mã nhận đợc trong số 2r đờng có thể của sơ đồ cây mã, với r là số ký hiệu k bit đầu vào (thờng 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 đợc và chọn ra nhánh nào có metric lớn hơn. Trong mã hóa mắt lới, phần d không phải là các bit hay ký tự đợc thêm vào trớc khi điều chế mà đợc tạo ra bởi việc sử dụng sơ đồ điều chế nhiều điểm hơn so với yêu cầu nếu không mã hóa. Bộ mã hóa mắt lới có 3 bit đầu vào trong đó các bit b2 và b3 là các bit không đợc mã hóa sẽ xác định điểm trong tập con, còn bit b1 sẽ tới bộ mã vòng xoắn tốc độ 1/2 tạo ra 2 bit xác định tập con đợc sử dụng.

Trong sơ đồ trên, các trạng thái đợc xác định theo các bit S1S2 của thanh ghi dịch trong bộ mã vòng xoắn, các nhãn dịch chuyển trạng thái xác định tập con đợc sử dụng khi xảy ra dịch chuyển trạng thái đó. Khả năng sửa lỗi cao của mã hóa turbo có đợc bắt nguồn sự ngẫu nhiên giống nh sử dụng cài xen kết hợp với mã vòng xoắn và bộ giải mã sử dụng hầu hết các thông tin ngoại lai không tơng quan. 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).

Trong giải mã turbo, thuật toán MAP tính logarit của tỷ số giữa xác suất sau APP (a posteriori probability) của mỗi bit thông tin trở thành ‘1’ với xác suất APP của bit trở thành ‘0’. Còn kỹ thuật SOVA sử dụng thuật toán đơn giản hóa của thuật toán MAP đợc ứng dụng nhiều trong thực tế vì mặc dù không tối - u nh thuật toán MAP nhng cấu trúc lại đơn giản hơn nhiều.