Một sơ đồ khối đơn giản của hệ thống OFDM trong hình 2.1 trong một kênh fading đa đường, do chọn lọc tần số, mỗi sóng mang có thể có sự suy giảm khác nhau. Công suất trên một vài sóng mang có thể bị mất đáng kể hơn so với công suất trung bình bởi fading sâu. Kết quả là, tổng BER có thể bị gây ra bởi một vài sóng mang với mức công suất thấp. Để giảm sự suy giảm của hiệu năng hệ thống do vấn đề này, mã hóa kênh có thể được sử dụng trước khi điều chế các bit. Mã hóa kênh có thể giảm đáng kể BER phụ thuộc vào tốc độ mã hóa, bộ giải mã phức tạp và mức SNR trong số các yếu tố khác. Chèn cũng được áp dụng cho sự xuất hiện của bit lỗi ngẫu nhiên và đưa vào hệ thống miễn nhiễm với lỗi tức thì. Mã hóa và chèn dữ liệu là ánh xạ tới những điểm chòm sao để thu được những ký tự dữ liệu. Bước này được thực hiện bởi khối điều chế trong hình 2.1. Chuỗi ký tự dữ liệu được chuyển đổi sang ký tự dữ liệu song song mà được dẫn đên khối biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) để thu được những ký tự OFDM miền thời gian. Các mẫu miền thời gian là [11]: x n IDFT X k 1 2 / 0 N j k N k X k e 0 n N1 (2.1) Trong đó:
17
- X(k) là ký tự được phát trên sóng mang thứ k; - N là số lượng sóng mang.
Hình 2. 1. Sơ đồ khối của một máy thu phát tổng quát [11].
Tín hiệu miền thời gian được mở rộng chu kỳ để tránh nhiễu liên ký tự (ISI) dư thừa từ các ký tự OFDM trước. Tín hiệu số băng tần cơ sở được chuyển thành tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC). Tiếp đó, tín hiệu được đưa tới đầu vào tần số vô tuyền (RF). Tín hiệu chuyển đổi tăng lên tại đầu vào tần số vô tuyến bằng cách sử dụng bộ trộn tần, bộ khuếch đại tín hiệu sử dụng khuếch đại công suất (PA), và phát tín hiệu thông qua ăng-ten.
Phía bên thu, tín hiệu thu được thông qua bộ lọc loại bỏ nhiễu băng thông và chuyển đổi tín hiệu về băng tần cơ sở bởi đầu vào RF. Bộ chuyển đồi tương tự sang số (ADC) số hóa tín hiệu tương tự và lấy mẫu lại tín hiệu. Sau đó, đồng bộ tần số và thời gian, tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix) được loại bỏ và tín hiệu được biến đổi sang miền tần số sử dụng bộ biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Một mô hình băng tần cơ sở đơn giản của các ký tự thu được trong miền tần số là [11]:
18 Trong đó:
- Y(k) là ký tự thu được trên sóng mang thứ k;
- H(k) là đáp ứng tần số của kênh trên sóng mang giống nhau;
- W(k) là nhiễu, được giả sử là nhiễu Gaussian ngẫu nhiên với giá trị trung bình không
Biến đổi OFDM bằng phép cuộn trong miền thời gian thành phép nhân trong miền tần số, và do đó bộ cân bằng miền tần số có thể sử dụng để khôi phục những ký tự đã truyền. Sau khi biến đổi Fourier rời rạc, các ký tự được giải điều chế, loại bỏ ký tự chèn và giải mã để thu những bit thông tin đã truyền.
Hình 2. 2. Dạng sóng OFDM [11].
Hình 2.2 biểu diễn một dạng sóng OFDM trong miền tần số. Hình biểu diễn những sóng mang trực giao tín hiệu đã điều chế. Cho một băng thông, kênh truyền thông ảnh hưởng tới các tham số thiết kế của hệ thống OFDM. Các tham số chính của một hệ thống OFDM là khoảng ký tự, khoảng cách sóng mang, chiều dài tiền tố tuần hoàn (CP).
Tín hiệu bên phát truyền tới bên thu bằng đường truyền theo tầm nhìn thẳng (Line-of-Sight) hoặc đường truyền bị tán xạ, phản xạ bởi môi trường được gọi là không theo tầm nhìn thẳng (None-Line-of-Sight). Tín hiệu bị phản xạ, tán xạ bởi môi trường, tín hiệu thu được là tổng của tín hiệu phát với những độ lợi và những trễ khác nhau bởi tín hiệu kênh đa đường.
19
Hình 2. 3. Minh họa fading đa đường [11].
Ảnh hưởng chính của kênh đa đường trên tín hiệu thu là fading chọn lọc tần số và nhiễu liên ký tự (ISI). Fading chọn lọc tần số là kênh không ảnh hưởng đến tất cả các thành phần tần số của cân bằng tín hiệu mà là kết quả trong sự biến dạng của tín hiệu thu được. Mặt khác, nhiễu liên ký tự (ISI) là nhiễu giữa các ký tự OFDM. Do thu được nhiều bản sao của tín hiệu với những trễ khác nhau, một ký tự có thể phát xạ năng lượng của nó vào ký tự theo sau. Nếu không xử lý, cả fading chọn lọc tần số và nhiễu liên ký tự (ISI) có thể dẫn đến giảm hiệu năng của hệ thống.
Cân bằng thông thường được sử dụng để làm cân bằng hiệu năng đa đường. Bộ cân bằng có thể xem như làm tăng độ phức tạp hệ thống, do độ phức tạp của nó tăng lên phụ thuộc vào số lượng các kênh đa đường. Trong hệ thống OFDM, bộ cân bằng là cần thiết. Để tránh nhiễu liên ký tự (ISI), khoảng ký tự được mở rộng bằng cách thêm băng tần bảo vệ ở đầu mỗi ký tự như ở tiền tố tuần hoàn (CP). Nếu xác định trễ lan truyền (hoặc trễ đa đường) của kênh như là độ trễ giữa những đường
20
thu được đầu tiên và cuối cùng trên kênh, tiền tố tuần hoàn (CP) nên dài hơn độ trễ đó. Mặt khác, fading chọn lọc tần số tránh được bằng cách giảm khoảng cách sóng mang hoặc tăng số lượng sóng mang. Xác định kênh kết hợp băng thông có thể được xem là kênh phẳng. Khi đó, tín hiệu OFDM có thể được xem như là nhóm các tín hiệu băng hẹp, bằng cách tăng số lượng sóng mang, băng thông của mỗi sóng mang (khoảng cách sóng mang) trở nên hẹp hơn. Bằng việc chọn khoảng cách sóng mang nhỏ hơn băng thông mỗi kênh, mỗi sóng mang sẽ bị ảnh hưởng bởi kênh phẳng và do đó không có cân bằng kênh là cần thiết.
Hiệu năng của kênh cần được xem xét trong thiết kế hệ thống OFDM di động. Đối với các hệ thống truyền thông cố định, kênh có thể được xem là không đổi theo thời gian. Tuy nhiên, nếu bên phát hoặc bên thu là di động, thì kênh sẽ thay đổi theo thời gian trong fading nhanh của tín hiệu thu. Thời gian của kênh được xem như là không đổi. Để tránh ảnh hưởng fading nhanh, thời gian ký tự OFDM được lựa chọn ngắn hơn thời gian của kênh. Trong miền tần số, tính di động dẫn đến một trải phổ của tín hiệu là phụ thuộc vào tần số hoạt động và tốc độ tương đối giữa bên phát và bên thu, cũng coi là trải Doppler. Trải Doppler của các tín hiệu OFDM dẫn đến nhiễu liên sóng mang (ICI) mà có thể giảm được bằng cách tăng khoảng cách sóng mang.
Tóm lại, khi tăng thời gian ký tự làm giảm ảnh hưởng nhiễu liên ký tự (ISI), thời gian ký tự ngắn hơn thỏa mãn để tránh fading nhanh của tín hiệu. Khi giảm khoảng cách sóng mang làm giảm nhiễu liên sóng mang (ICI), khoảng cách sóng mang hẹp hơn giúp tránh chọn lọc tần số. Như một vấn đề thực tế, ở đây tồn tại một giá trị tối ưu của các tham số sẽ được sử dụng để cải thiện hiệu năng hệ thống.
Trong phần này, một hệ thống một người dùng đã trình bày, ở đây giá trị kênh được sử dụng bởi một người dùng. Mà OFDM của hệ thống không phải là kỹ thuật đa truy nhập. Tuy nhiên, nó có thể được kết hợp với nhiều phương pháp truy nhập để cho phép nhiều người dùng để truy nhập vào kênh có sẵn. Một số những kỹ thuật đa truy nhập phổ biến có thể được sử dụng bởi hệ thống OFDM là TDMA, đa truy
21
nhập cảm biến sóng mang (CSMA), đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và CDMA. Ngoài ra, một kết hợp TDMA và FDMA được biết như là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cũng có thể. Trong các mô hình hệ thống trên, nhiễu từ những người dùng khác và các công nghệ khác (như nhiễu cùng kênh, nhiễu kênh liền kề, nhiễu băng hẹp…) được cho thành các điều kiện nhiễu đơn giản. Tuy nhiên, trong thực tế khi tín hiệu thu được bị giảm bởi nhiễu, một mô hình chính xác hơn cần phải được sử dụng, trong đó điều kiện nhiễu sẽ bị ảnh hưởng méo trên mỗi sóng mang khác nhau.