CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ
OFDM 2.1 Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường.
OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài . Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỷ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến
đổi DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.
2.2 Khái niệm về OFDM
2.2.1 Khái niệm
OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao. Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế phân chia theo tần số FDM. Phương pháp này chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà ở phía đầu thu ta vẫn khôi phục lại được
tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 2-1: So sánh giữa FDMA và OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định. Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các ký hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh.
a) Tín hiệu OFDM
b) Phổ OFDM
Hình 2-2: Tín hiệu và phổ OFDM
2.2.2 Đặc điểm
Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng được tách ở máy thu mà không bị nhiễu của sóng mang khác, hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến. Suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu. Trong OFDM, fading chỉ ảnh hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như toàn bộ các sóng mang con băng hẹp cùng với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo chất lượng qua các kênh vô tuyến.
Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần số. Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường.
Công nghệ OFDM giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDMA và TDMA. OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA.
Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ kỹ tự thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễ truyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký tự ISI đáng kể (khoảng 100µs)
2.3 Cấu trúc hệ thống OFDM
Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống OFDM
Hình 2-3 biểu diễn cấu trúc bên trong của một hệ thống OFDM. Tương ứng với mỗi khối thành phần sẽ thực hiện một chức năng riêng
2.3.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song
Luồng số liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2bit/từ cho QPSK) và chuyển thành dạng song song. Dữ liệu được phát song song bằng cách gán mỗi từ cho một sóng mang để điều chế tín hiệu.
2.3.2 Khối điều chế
Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hóa vi sai và điều chế mã PSK. Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu được bổ xung vào đầu chuỗi. Dữ liệu trên mỗi ký hiệu sau đó được gắn với một góc pha nhất định dựa theo phương thức điều chế. Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên độ không đổi và đơn giản để giảm các vấn đề viến đổi pha do fading.
2.3.3 Khối biến đổi Fourier ngược
Sau khi phổ yêu cầu được xác định, thực hiện biến đổi Fourier ngược để tìm dạng sóng thời gian tương ứng. Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chum tín hiệu trên các sóng mang con trực giao. Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu.
Thông thường, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng dụng các thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả cao hơn cho điều chế và giải điều chế.
2.3.4 Khối chèn khoảng bảo vệ
Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần: một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời ký hiệu nhờ tách sóng đường bao.
Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ gia tăng lớn nhất của kênh nhiễu đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu.
Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 tới ¼ thời gian ký tự, làm giảm SNR tới 0.5-1dB.
Sau khi chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu được biến đổi trở lại dạng nối tiếp là tín hiệu băng gốc trong truyền dẫn OFDM.
2.3.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến
Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, mô hình cho phép điều khiển tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiều đa đường và cắt công suất đỉnh. SNR được lập bằng cách thêm một số lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất trong khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi.
2.3.6 Máy thu
Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát. Góc pha của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải điều chế pha thu được. Các từ số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích thước giống nhau như ban đầu.
Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM tốt. Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký tự OFDM và để đồng chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải điều chế.
Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được thực hiện đủ chính xác thì dẫn đến mất tính trực giao của các sóng mang con do nhiễu ISI và ICI
2.4 Ưu và nhược điểm của OFDM
Các ưu điểm mà kỹ thuật OFDM mang lại cho các hệ thống sử dụng kỹ thuật này là:
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
• Sử dụng phổ hiệu quả nhờ phổ tần số có dạng gần như cửa sổ chữ nhật nếu số sóng mang con đủ lớn.
• Khả năng chống nhiễu giữa các kênh con rất tốt nhờ việc sử dụng các sóng mang con trực giao.
• Kỹ thuật OFDM cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp hơn trên các kênh băng hẹp. Các kênh con này được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin. Nói như vậy, hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số.
• Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ các sóng mang con.
• Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT. Đồng thời hệ thống có cấu trúc máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng dự trữ đủ dài.
Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:
• Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình. Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ
dạng trầm trọng hơn. Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau.
• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.
• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính khôn dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,…
2.5 Kết luận chương
Nội dung của chương 2 cho chúng ta cái nhìn tổng quan chung nhất về hệ thống OFDM như lịch sử phát triển, cấu trúc hệ thống, chức năng của từng thành phần trong hệ thống OFDM, cùng với ưu và nhược điểm của nó. Dựa vào những ưu điểm nổi bật này của kỹ thuật OFDM, càng khẳng định rằng OFDM là một phương thức điều chế hiệu quả, tin cậy và tốc độ cao.
CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ XỬ LÝ TÍN HIỆU CỦA KỸ
THUẬT OFDM 3.1 Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
(a) Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung (b) Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung
Hình 3-1 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm nhiễu xuyên giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
3.2 Khái niệm toán học
Cho một tập các hàm số {fn(t), với n=1, 2, 3,…, k}, các hàm số được gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn các điều kiện sau:
Tập hàm thỏa mãn điều kiện trên gọi là tập hàm trực giao. Nếu k=1 họ hàm đã cho không chỉ trực giao mà còn trực chuẩn. Nghĩa là tích phân của bình phương mỗi hàm đều bằng đơn vị. Trực giao có nghĩa là các hàm số này không ảnh hưởng lẫn nhau hay không gây nhiễu lên nhau giữ chúng không có mối quan hệ ràng buộc hay phụ thuộc. Một số tập tín hiệu trực giao như tập hai hàm sin(ωt) và cos(ωt).
Một tín hiêu s(t) có thể biểu diễn dưới dạng một dãy hàm trực chuẩn
Với sk là hệ số trong phép xấp xỉ tín hiệu s(t). Sai số do phép thay thế tín hiệu