Chương 2: Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.2. Thu phát tín hiệu OFDM
Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn được tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự. Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này. FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế. Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền thời gian bằng IFFT để truyền đi. Lúc này ta đã tạo được một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian. Lưu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần được chuyển lên tới tần số được lựa chọn để truyền đi.
Khối thu thực hiện quá trình ngược lại khối phát. Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý. Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con được nhận diện và được chuyển thành dữ liệu số cần thu.
2.2.1. Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)
Dữ liệu số thường ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp. Trong hệ thống OFDM, mỗi symbol thường mang từ 40 – 4000 bits, do đó bước chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết đểđặt các bit thông tin lên OFDM symbol. Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phương thức điều chế và số sóng mang con. Ví dụ, ta sử dụng phương thức điều chế 16-QAM, như vậy mỗi sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bit thông tin trên một symbol sẽ là 4×100 = 400 (bits). Chú ý rằng nếu ta dùng phương thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau. Tại phía thu quá trình
ngược lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽđược thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối tiếp như ban đầu.
Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trường đa đường, 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. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu như cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn đề sẽ chẳng đáng ngại. Nhưng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thường khá lớn, trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thường rất tốn kém. Một ý tưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như 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 như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗi lớn. Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) như là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp song song. Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thông tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng đúng thứ tựở phía thu.
2.2.2. Điều chế sóng mang phụ
Các sóng mang phụ sau khi được cấp phát các bit thông tin để truyền đi, chúng sẽđược điều chế pha và biên độ bằng các phương thức điều chế thích hợp. Lúc này sóng mang được biểu diễn bằng vector IQ. Quá trình điều chế vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo một sơ đồđiều chế (Constellation) cụ thể. Do đó quá trình này còn gọi là Mapping.
Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu. Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận được không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã. Do đó với mỗi phương thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định. Ví dụ với phương thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N = 18dB.
2.2.3. Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian
Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định được cho mỗi sóng mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin được truyền đi và phương thức điều chế sóng mang được sử dụng, những sóng mang con không truyền tin sẽ có biên độ bằng 0. Đây là bước xây dựng tín hiệu OFDM trong miền tần số. Để truyền được thì tín hiệu OFDM phải được chuyển về miền thời gian bằng IFFT. Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tương ứng với một sóng mang con. Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽđược sử dụng như dải bảo vệ
2.2.4. Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)
Tín hiệu OFDM được tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉở tần số cơ sở, tín hiệu này còn phải được nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền dẫn. Bước này có thể áp dụng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số. Cả 2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số có xu hướng chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ thuật điều chế số cho giá trị pha chính xác hơn.
Hình 2.10: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật tương tự
Hình 2.11: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)