Nguyên lý OFDM/DMT là khai thác khả năng lọc lựa của biến đổi DFT dưới những điều kiện xác định. Ở phần phát người ta sử dụng bộ biến đổi IDFT để làm một bộ điều chế với N sóng mang. Phép biến đổi này điều chế song song N biểu tượng số loại (QAM,PSK hoặc FSK) có mặt ở lối vào của bộ IDFT. Các dữ liệu điều chế sau đó được biến đổi thành dãy bit nối tiếp và được gửi đi trên kênh PLC sau khi đã được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự. Ở nơi thu tín hiệu OFDM được số hoá. Các biểu tượng được khôi phục lại, sau khi tính toán dùng DFT và cân bằng ở mỗi kênh con
Số lượng bít cực đại trên một symbol nhiễu dải hẹp Hàm truyền của PLC Sự cấp bít theo symbol tần số tần số tần số C A N A L ADC DAC S/P P /S FF T P /S I F F T S /P C od ec Data N/T d1,n d2,n dN,n x1,n x2,n xN,n x1,n x2,n xN,n d1,n d2,n dN,n 1/T 1/T 1/T
3.3.2: Các tính chất của DFT
Quan hệ giữa tín hiệu lối vào x(n) và tín hiệu lối ra d(f) của bộ DFT là
. 1 .2. . 0 1 . k n N j N n d k x n e N
Mối quan hệ giữa tín hiệu vào d(k) và tín hiệu ra x(n) của bộ IDFT
. 1 .2. . 0 1 . k n N j N k x n d k e N
với k=0 thì lối ra d(0) là kết quả của phép nhân chập của tín hiệu x(t) với phân bố
0 t từ đó suy ra lối ra d(k) k d k x t t với . 1 .2. . 0 1 . k n N j N k e n t e t nT N
Phân bố k t đối với phép biến đổi Fourier
. . 1 . . sin . . . . .sin . . e e k e j f N T N T e k e e k N T f N T f e k N T f N T
Tích chập trong miền thời gian tương đương phép nhân trong miền tần số, do vậy biến đổi Fourier của d(k)
.
k k
D f X f f
Lưu ý rằng hàm f 0 tại những điểm tần số là bộ của 1/N.Te và khác không ở những điểm bộ của 1/Te. Hàm số này cũng tuần hoàn với chu kỳ 1/T. Như vậy biến đổi Fourier rời rạc có thể tạo thành N các mạch lọc giống nhau phân chia đều
đặn trong miền tần số với khoảng cách 1/(N.Te). Hình 3.9 minh hoạ k f
k=0,1,2…
Hình 3.9: Chức năng lọc của DFT.
3.3.3. Các giao thoa có mặt trong OFDM/DMT, thời gian bảo vệ và sự cân bằng.
Trong một hệ thống OFDM/DMT bao gồm hai bộ phận chính là IDFT ở phần phát và DFT ở phần thu. Bộ IDFT chuyển đổi tín hiệu x(n) bên phát thành tín hiệu nhiều sóng mang. Còn ở nơi thu bộ DFT giải điều chế đa sóng mang. Nếu quá trình thu phát là hoàn hảo không có lỗi bít thì tín hiệu thu được sẽ đúng bằng tín hiệu đã phát đi x(n). Tuy nhiên trên thực tế kênh truyền không phải hoàn hảo nó làm biến đổi cả biên độ và pha của tín hiệu phát làm trễ nhiều hay ít và tạo lên các tiếng vọng trong trường hợp một kênh đa đường như kênh vô tuyến hoặc kênh PLC. Để giải điều chế chính xác tín hiệu OFDM ta phải hiệu chỉnh được tất cả các loại giao thoa, nhiễu phát sinh ra trên kênh bằng cách thực hiện các quá trình sau.
Đồng bộ tần số nghiêm ngặt để loại bỏ các nhiễu đồng kênh do sự lệch pha do kênh truyền gây ra. Cũng như phải bảo toàn tính trực giao của các kênh con
Sự đồng bộ nghiêm ngặt về thời gian để thực hiện quyết định vị trí trung tâm của các biểu tượng. Nghĩa là ở các thời điểm 0,1/NTe,2/NTe,……,1/Te Đặt thời gian bảo vệ để tránh giao thoa giữa các biểu tượng OFDM. Khoảng bảo vệ cũng có chiều dài ít nhất bằng chiều dài đáp ứng xung của kênh .
Các giao thoa: Các nhiễu này được hiệu chỉnh nhờ bộ giả cân bằng của kênh để thu được trong tập hợp kênh lý tưởng kênh Nyquist (kênh không có nhiễu)
Hlý tưởng = Hkênh . Hcân bằng = 1 với H là hàm truyền
(Nhắc lại: Các biểu tượng OFDM tương ứng với các thông tin đã gửi đi trên N kênh con của dải tần)
3.2.3.1. Các giao thoa đồng kênh
Hình 3.10 minh họa các sóng mang f , f 1/NTe và 1
e
f
NT với một sai số đồng bộ tần số, sai số này sinh ra các giao thoa đồng kênh. Lưu ý rằng ở những thời điểm quyết định 0,1/NTe,…..,1/Te thì các kênh con liên tiếp nhau không còn bằng không nữa. Điều này có thể gây ra quyết định sai lệch gây ra mất mát dữ liệu.
3.2.3.2. Các giao thoa intersymbol và sự cân bằng
Các giao thoa intersymbol là các giao thoa có mặt trên các kênh đa đường. Chúng tương đương với sự giao thoa giữa các biểu tượng nên các tiếng vọng của chúng sinh ra bởi các kênh. Sự giao thoa intersymbol có thể được tạo thành (nếu tín hiệu và tiếng vọng của nó đồng pha) hoặc bị triệt tiêu (nếu tín hiệu và tiếng vọng của chúng ngược pha). Hình 3.11 minh hoạ giao thoa intersuymbol được xây dựng khi t1 là tiếng vọng thu được sau độ trễ = t1
Hình 3.11: Ví dụ về sự giao thoa intersymbol
Tín hiệu truyền trong một kênh được đặc trưng bởi sự truyền dẫn đa đường sinh ra trên tín hiệu sự giao thoa intersymbol. Giao thoa này là kết quả của sự lệch pha cũng như sự suy giảm (giao thoa bị triệt tiêu) hoặc sự khuếch đại (giao thoa tạo thành ) của tín hiệu. Để loại bỏ giao thoa này thì phải thực hiện điều chế vi phân DQPSK hoặc DBPSK với biểu tượng trên tín hiệu đã được gửi đi
3.2.3.3 Giao thoa giữa các biểu tượng và khoảng bảo vệ
Giao thoa giữa các biểu tượng là sự pha trộn giữa các biểu tượng với nhau trong trường hợp kênh đa đường. Ở nơi thu t a thu được sự tái hợp của đường trực tiếp với các đường khác nhau và bị trễ do tiếng vọng. Nhưng trong trường hợp khi thời gian của biểu tượng : Ts << ( độ trễ của kênh) thì các biểu tượng khác nhau sẽ trộn vào nhau và gây ra giao thoa.
amp
li
tu
d
Hình 3.12: Sự phát OFDM không có khoảng thời gian bảo vệ
Ở nơi thu các biểu tượng n+1 và n+2 bị tác động một cách liên tiếp bởi tiếng vọng 1 và 2 của biểu tượng n và các tiếng vọng 1 và 2 của biểu tượng n+1 do vậy tất cả các dữ liệu có thể bị giao thoa với nhau và có thể bị mất. Để tránh các giao thoa giữa các biểu tượng trong OFDM người ta thêm vào phần có ích của biểu tượng để kéo dài dữ liệu. Khoảng thêm vào này được gọi là khoảng bảo vệ hay thời gian bảo vệ. Thời gian bảo vệ phải lớn hơn độ trễ do tiếng vọng của kênh đưa vào. Các biểu tượng n+1 và n+2 không còn bị tác động bởi các tiếng vọng của các biểu tượng trước đó. Chúng không còn bị chồng lấn lên nhau trong phần hữu dụng nữa. Ở nơi thu thời gian bảo vệ được loại bỏ trước khi xử lý. Hình 3.13 minh hoạ thời gian bảo vệ
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2 tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2
tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2
Symbo l OFDM được gửi đ i từ máy phát
Symbo l OFDM thu được
Giao thoa giữa các symbol
Giao thoa giữa các symbol Trễ do
Hình 3.13: Phát OFDM có thời gian bảo vệ
Hình 3.14: Quá trình chuyển từ miền tần số sang miền thời gian và ngược lại với sự có mặt của thời gian bảo vệ
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2
tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2 tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2
Symbo l OFDM được gửi đ i từ máy phát Symbo l OFDM thu được thời gian bảo vệ
Chương 4: CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG OQAM 4.1. Giới thiệu
Một hệ thống truyền dẫ đa sóng mang dựa trên kỹ thuật điều chế OQAM phải thực hiện một loạt các chức năng chủ yếu sau.
Cắt dải tần thành nhiều dải con
Cân bằng các kênh con truyền dẫn tương ứng ở nơi thu Đồng bộ giữa máy thu với máy phát
Xác định dung lượng của các kênh con và sự truyền dẫn thông tin đến nơi xa nhất.
4.2. Các chức năng của hệ thống
Sự truyền dẫn phải là hai chiều, không nhất thiết phải đối xứng. Cả hai hướng có thể phân biệt nhau nhờ sự phân bổ dải tần, tuy nhiên hiệu quả lớn nhất thu được là nhờ thiết bị khử giao thoa và tiếng vọng như hình 4.1. Trong trường hợp này sử dụng điện thoại số lưu lượng trên đường điện thoại tốc độ cao. Xuất phát từ dữ liệu cần truyền d(n) máy phát cung cấp một tín hiệu cho một biến thế lai, biến thế này liên kết các đường dây truyền là cáp đồng. Biến thế này cho phép tách hai hướng truyền cung cấp cho phần thu một tín hiệu tác động vào giao diện tương tự của máy thu từ đó tạo ra tín hiệu lấy mẫu số tác động vào bộ khử tiếng vọng. Chức năng của hệ thống này là loại bỏ các tiếng vọng của tín hiệu phát ra bởi chính đầu dây đó do sự không hoàn hảo của biến thế hoặc do sự phản xạ dọc theo đường dây. Tín hiệu thu được Sr(n) mà máy thu đa sóng mang xử lý để khôi phục lại dãy dữ liệu d(n) phải bằng dãy d(n) sau một thời gian trễ nào đó từ đầu phát bên kia. Môi trường truyền dẫn đã xét được giả thiết là môi trường thông thường có độ bền vững rất lớn chẳng hạn như các kênh vô tuyến có nhiễu hoặc đường dây điện thoại. Những kênh truyền như vậy có thể đưa đến, làm gián đoạn liên kết và quan trọng là cần phải tránh các thủ tục khởi động và khởi động lại phức tạp. Với các điều kiện này thì chất lượng của kênh truyền tổng thể thay đổi. Do vậy cần phải
xác định chất lượng của kênh con sử dụng dung lượng khả dĩ của kênh để tru yền thông tin đến nơi xa nhất
Hình 4.1: Đầu cuối của một hệ thống đa sóng mang OQAM
Cũng như trong tất cả các hệ thống truyền dẫn thì cần đồng bộ giữa máy thu và phát. Phép toán này có thể được thực hiện nhờ một tín hiệu đặc trưng. Tín hiệu đặc trưng này chứa một bit. Điều quan trọng là nó phải ít nhất để bảo toàn mức độ bền vững hợp lý. Một phương pháp mềm dẻo và hiệu quả là thực hiện một kênh con với một tín hiệu đặc trưng hoặc nhiều kênh con với một tín hệu đặc trưng trong trường hợp cần thiết. Nếu truyền tin đi xa thì dung lượng của các kênh con nhất thiết phải tăng lên.
4.3. Dải tần của tín hiệu đa sóng mang OQAM
Sự dồn kênh sẽ được thực hiện trong phạm vi ứng dụng cho đường dây điện thoại tốc độ cao. Việc lựa chọn các ứng dụng đặc biệt cho phép chính xác hoá các giá trị của các thông số và minh hoạ các kỹ thuật tiên tiến. Đối với những ứng dụng khác thì các nguyên lý không thay đổi, tuy nhiên phải biến đổi cho phù hợp với từng hoàn cảnh đối với một trạm điện thoại lưu lượng cao thì tần số cơ sở của một máy phát số là 8kHz và các hệ thống truyền dẫn là một tập hợp các bội tần số này.
Máy thu đa sóng mang số khử tiếng vọng Giao diện tương tự của máy thu Máy thu đa sóng mang số Giao diện tương tự của máy thu Ghép Sr(n) d(n) Sc(n) d(n) dữ liệu vào dữ liệu ra
ứng với lưu lượng của kênh sơ cấp trong hệ thống phân cấp số. Đường dây thuê bao có độ suy giảm theo tần số và độ suy giảm này tăng tỷ lệ với căn bậc hai của tần số. Nếu tính đến các nhiễu đã gặp như lẫn tiếng, nhiễu, sương mù. Nếu ta chấp nhận là dải tần thực tế có thể sử dụng với chiều dài nhiều km là 1MHz đối với cáp đồng. Với các điều kiện này nên chọn tần số f=2048kHz như tần số lấy mẫu của tín hiệu trên đường
Tiếp theo cần xác định số lượng các kênh con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiễu, phương pháp điều chế, lưu lượng số, độ phức tạp trong xử lý cũng như độ trễ trong quá trình truyền dẫn. Chẳng hạn như chọn độ rộng của kênh con bằng 4kHz có thể hợp lý vì cho N=512 với tần số lấy mẫu là fs. Từ đó suy ra lưu lượng là 8kHz, dàn lọc 256 mạch lọc thực trong dải từ 0 đến 1024kHz bộ biến đổi Fourier chứa 512 điểm.
Toàn bộ các kênh con trong dải từ 0 đến 1024kHz không thể dùng toàn bộ để truyền dẫn được bởi vì còn phải dự trữ cho các dịch vụ khác. Do vậy phải để trống ít nhất là dải tần từ 0 đến 30kHz. Ngoài ra gần như một nửa tần số lấy mẫu phải giành cho dải chuyển tiếp cho mạch lọc chống chồng phổ của các giao diện tương tự - số. Như vậy nếu ta lấy 240 kênh con để truyền dữ liệu và một kênh con để đồng bộ và các dữ liệu dịch vụ thì khi đó nó chiếm một dải tần số như trên hình 4.2. Dải chuyển tiếp của mạch lọc chống chồng phổ cho các mạch lọc chống chồng phổ là 60kHz
Hình 4.2: Dải tần tín hiệu đa sóng mang OQAM
dải hữu dụng (964 kHz) 0 2 6 30 34 38 2 1 986 990 994 996 240 241 1024 H
4.4. Phần phát và thu của một hệ thống đa sóng mang OQAM
Máy phát có sơ đồ như trên hình 4.3. Dãy dữ liệu d(n) được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song cung cấp 240 biểu tượng cơ bản cho bộ điều chế. Các biểu tượng cơ sở này được tạo bởi 0 đến 7 bit tuỳ theo dung lượng đã cấp cho kênh con để chuyển tải dãy dữ liệu này. Thông tin điều khiển (scadat) đến từ một bộ nhớ do mặc định hoặc từ một máy thu địa phương
Một tín hiệu điều khiển (định thời 1/64) đưa vào một dãy huấn luyện cho mỗi kênh con
Bộ điều chế OQAM cung cấp các mẫu dữ liệu phức của tín hiệu xi (i=1 240) thực hiện ở mỗi kênh con với khoảng cách 8kHz và được đưa vào lối vào hữu ích của dàn lọc tổng hợp.
Hình 4.3: Máy phát tín hiệu đa sóng mang OQAM
Tín hiệu đồng bộ xis được tạo thành bởi khối “synchro+data” và cũng đưa vào một lối vào của dàn lọc chẳng hạn như lối vào kênh con thứ 69 có tâm tại tần số
S /P Điều chế OQAM Dàn lọc tổng hợp Synchro+data xis xi di scdatae scdatar Timing 1/64 dữ liệu vào d(n)
do máy thu địa phương cung cấp. Dàn lọc tổng hợp cung cấp tín hiệu sóng mang phát Se(n) tới giao diện tượng tự của máy thu.
Hình 4.4: Máy thu của hệ thống đa sóng mang OQAM
Sơ đồ của máy thu đã cho trên hình 4.4. Tín hiệu đa sóng mang thu được Sr(n) tác động vào dàn lọc phân tích. Dàn lọc này khôi phục các tín hiệu Xir của 240 kênh con hữu ích và tín hiệu đồng bộ xisr
Sau khi đã cân bằng các kênh con, tín hiệu Vi thu được được đưa vào bộ tách dữ liệu, bộ này khôi phục các biểu tượng cơ sở dir để tạo dãy dữ liệu thu d(n)
Bộ tách dữ liệu cung cấp một tín hiệu sai khác ei giữa các giá trị của tín hiệu lý tưởng và giá trị của tín hiệu thu được. Điều này được thực hiện ở khối “capacity + bit assign”. Điều này cho phé p khối phát triển xác định dung lượng của kênh con cũng như tạo nên tín hiệu điều khiển “scadatae”. Tín hiệu điều khiển này một phần được truyền đi tới đầu ra còn phần khác được giữ lại bởi bộ tách dữ liệu để sử dụng sau này khi dung lượng tương ứng được đưa đến. Bộ cân bằng của kênh con cũng cung cấp tín hiệu lệch eip đã được sử dụng để xác định dung lượng. Để thu một tín hiệu ra là tín hiệu tham chiếu về biên độ, một hàm của nhiều bít tác động
Dàn lọc phân tích