Sử dụng một sóng mang có tần số và pha khơng đổi, tuy nhiên tuỳ thuộc vào dữ liệu tín hiệu số đầu vào, sẽ biến đổi biên độ của sóng mang theo các giá
BBPPSSKK QPQPSSKK
M
24
trị dữ liệu vào, cụ thể với tín hiệu vào là 0 thì biên độ được ánh xạ tới giá trị là 0 và ngược lại nếu dữ liệu tín hiệu đầu vào là 1 thì biên độ của sóng mang sẽ được định nghĩa bằng một giá trị khác khơng nào đó. Đơn giản nhất của phương pháp điều chế này chính là BASK (binary ASK), dạng sóng của phương pháp điều chế này có dạng:
S(t)=dkcos(2fct) (2.1)
Trong đó dk là giá trị bit nhị phân của dữ liệu tín hiệu số đầu vào. 2.6. Điều chế biên độ cầu phương.
Một phương pháp điều chế khác trong số các phương pháo điều chế số chính là phương pháp điều chế biên độ cầu phương (quadrature amplitude modulation – QAM), nó là sự kết hợp của hai phương pháp điều chế dịch biên và dịch pha, phương pháp này được sử dụng trong các ứng dụng như DVB-C, LTE, Wimax...
Phương pháp điều chế QAM được phân chia theo số bit trên một ký hiệu, ví dụ nếu có 4 bit trên một ký hiệu gọi là điều chế 16QAM, nếu có 6 bit trên một ký hiệu thì được gọi là phương pháp điều chế 64QAM.
Các giới hạn thực tế hiện nay của phương pháp này là 256QAM, mặc dù các nhà khoa học đang nghiên cứu để có thể mở rộng giới hạn đến 512QAM hoạc 1024QAM.
Hình 2.4: Giản đồ véctơ và sơ đồ chòm sao trong điều chế QAM
GGiiảảnn đđồồ vvééccttơơ MMôô hhììnnhh cchhịịmm ssaaoo
1166QQAAMM 3322QQAAMM BBốốnn bbiitt ttrrêênn mmộộtt kkýý hhiiệệuu BBốốnn bbiitt ttrrêênn mmộộtt kkýý hhiiệệuu TTốốcc đđọọ kkýý hhiiệệuu ==11//44 ttốốcc đđộộ bbiitt TTốốcc đđọọ kkýý hhiiệệuu ==11//44 ttốốcc đđộộ bbiitt
25
Trong bất kỳ một hệ thống điều chế số nào, nếu tín hiệu đầu vào mà bị méo hoặc bị suy giảm bên nhận sẽ bị mất hồn tồn khố biểu tượng, nếu bên nhận không thể phục hồi được thời gian ký hiệu, nó sẽ khơng thể giải điều chế tín hiệu hoặc phục hồi bất kỳ thông tin nào. Với sự suy thối khơng đáng kể, thời gian ký hiệu có thể được phục hồi, nhưng nó là nhiễu và vị trí của ký hiệu bản thân nó lại là nhiễu. Trong một số trường hợp, một ký hiệu sẽ bị ảnh hưởng và vượt ra ngoài phạm vi của trạng thái của bản thân nó trong sơ đồ chịm sao, I và Q lúc này sẽ nhận dạng sai điểm này và vì thế bên nhận sẽ gây ra lỗi bít do tác động của nhiễu. Với QPSK hiệu quả phổ không thực sự cao, nhưng các trạng thái của nó trong sơ đồ chịm sao là cách xa nhau vì thế khi nhiễu tác động vào, thì vị trí của trạng thái có thể bị thay đổi nhưng do phạm vi của điểm này là rộng nên bên nhận sẽ ít có khả năng đốn nhầm vị trí và vì thế khả năng lỗi bít sẽ thấp hơn. QPSK địi hỏi cơng suất máy phát ít hơn QAM để đạt được cùng một tỷ lệ lỗi bit.
Chúng ta có thể kết luận rằng điều chế số là hết sức quan trọng, nó là nền tảng cho các kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến ngày nay, hiệu năng và cơng suất phát tín hiệu của các phương pháp điều chế là khác nhau. Có nghĩa là phương pháp điều chế làm tăng hiệu quả phổ, tăng tốc độ truyền dẫn thì lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, địi hỏi cơng suất phát phải lớn và yêu cầu các thiết bị nhận và phát tín hiệu phức tạp hơn, ngược lại các phương pháp điều chế đơn giản thì địi hỏi cơng suất phát không quá lớn, khả năng bị tác động của nhiễu là thấp và yêu cầu máy phát và máy thu không quá phức tạp nhưng tốc độ truyền dẫn lại không cao.
26
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM [7,8]
3.1. Giới thiệu
Hiện nay nhu cầu cấp thiết của việc tăng cường mở rộng các dịch vụ có sẳn trên các mạng truyền thông đến các mạng di động không dây là rất lớn. Ví dụ như: thêm dịch vụ voice, chỉ có dịch vụ tốc độ dữ liệu thấp phục vụ người sử dụng. Tuy nhiên, lượng dịch vụ cho hệ thống truyền thông đa phương tiện được tiên liệu trước cho cả hai lĩnh vực chung và riêng tư. Mạng có dây khơng thể hỗ trợ mở rộng cho mạng di động khơng dây bởi vì các kênh vô tuyến di động là nhiều nhiễu hơn so với mạng truyền thơng có dây, chúng ta cũng khơng thể bảo tồn các u cầu cao của chất lượng dịch vụ (quality of service – QoS) trong mạng có dây.
Các kênh của mạng vô tuyến di động được mô tả bởi sự tiếp nhận đa đường: tín hiệu nhận được bên nhận bao gồm khơng chỉ là sóng vơ tuyến truyền thẳng (line of sight - LOS), mà là có một số lượng lớn của các sóng vơ tuyến phản xạ sẽ đến được bên nhận tại các thời điểm khác nhau. Tín hiệu chậm trễ là kết quả của hiện tượng phản xạ từ các chướng ngại vật như là cây cối, đồi, núi hoặc các toà nhà,... Hiện tượng phản xạ này làm cho các sóng chậm giao thoa với sóng truyền thẳng và đó chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ( intersysbol interference - ISI), với sự đổi hướng là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất hoạt động của mạng. Một mạng không dây sẽ được thiết kế để giảm thiểu khả năng bị ảnh hưởng của hiện tượng này.
Để tăng băng thông cho mạng truyền thông đa phương tiện di động, rất cần sử dụng tốc độ truyền bít lớn lên tới vài megabit trên một giây. Tuy nhiên, nếu dữ liệu số được truyền đi tại tốc độ vài megabit trên một dây, thời gian trễ của sóng trễ là lớn hơn thời gian của một ký tự, vì vậy việc sử dụng kỹ thuật cân bằng thích ứng tại bên nhận là một thuộc tính cho việc cân bằng các tín hiệu này. Có một vài khó khăn về thực hành trong việc vận hành bộ cân bằng này tại
27
tốc độ một vài megabit trên một giây về việc thu gọn thiết bị hoặc giá thành phần cứng.
Để khắc phục một môi trường đa đường với sự phức tạp thấp và để đạt được hệ thống truyền thông đa phương tiện băng không dây thông rộng (wireless broadband multimedia communication system – WBMCS), người ta đưa vào sử dụng mơ hình truyền dẫn đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency division multiplexing - OFDM).
3.2. Lịch sử của OFDM [7]
OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang, có một luồng dữ liệu được truyền qua một số sóng mang con (sub carrer - SC) với tốc độ thấp hơn. OFDM có thể được xem như là một kỹ thuật điều chế dồn kênh và tăng khả năng sử dụng băng thông hiệu quả. Một lý do chính để sử dụng OFDM là tăng khả năng chống chịu hiện tượng fading lựa chọn tần số hoặc sự giao thoa băng hẹp. Trong một hệ thống đơn sóng mang, một hiện tượng fade đơn hoặc nhiễu có thể tác động và gây ra lỗi cho toàn bộ liên kết, nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ có một tỷ lệ nhỏ của các SC bị ảnh hưởng và người ta sử dụng mã phát hiện lỗi sau đó để sữa chữa những sai sót trong các SC, các khái niệm về sử dụng truyền các dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã được phát triển vào giữa những năm 1960.
Trong một hệ thống dữ liệu song song cổ điển, tổng băng tần tín hiệu được chia thành N kênh con có tần số khơng chồng lấn, mỗi kênh con được điều chế với một ký hiệu riêng biệt, và sau đó N kênh con này được ghép tần số lại với nhau, nó là một cách tốt để tránh chồng chéo quang phổ của các kênh để giảm thiểu nhiễu liên kênh, tuy nhiên điều này dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả quang phổ, để khắc phục sự kém hiệu quả này, những ý tưởng đề xuất giữa những năm 1960 có sử dụng dữ liệu song song và FDM với việc chồng lấn các kênh con, trong đó kênh con mang theo một tỷ lệ tín hiệu b, b là khoảng cách
28
giữa các tần số để tránh việc sử dụng các tốc độ cao bằng nhau và để chống lại nhiễu và méo do đa đường, cũng như việc sử dụng toàn bộ băng thơng sẵn có.
Từ "orthogonal-trực giao" chỉ ra rằng có một mối quan hệ tốn học chính xác giữa tần số của các sóng mang trong hệ thống, trong một hệ thống FDM bình thường, nhiều sóng mang được cách nhau trong một khoảng mà các tín hiệu có thể nhận được bằng cách sử dụng bộ lọc thông thường và bộ giải điều chế ở bên nhận, các giải băng bảo vệ được đưa vào giữa các sóng mang và trong miền tần số nó gây nên việc kém hiệu quả của quang phổ.
Điều đó là có thể, tuy nhiên, để sắp xếp các sóng mang trong tín hiệu OFDM sao cho các dải của các sóng mang riêng lẽ chồng lấn lên nhau và các tín hiệu nhận được vẫn khơng bị nhiễu giữa các sóng mang này, để làm được điều đó các sóng mang phải trực giao về mặt tốn học, bên nhận hoạt động như một ngân hàng của các bộ điều chế, dịch tất cả các thành phần sóng mang khơng cùng tần số về mức DC và kết quả sẽ nhận được tín hiệu.
3.3. Điều chế đa sóng mang [8]
Hình 3.1. Điều chế đa sóng mang khơng chồng lấn (a), điều chế đa sóng mang chồng lấn (b) T Tầầnn ssốố T Tầầnn ssốố K
Khhooảảnngg bbăănngg
t
thhôônngg ttiiếếtt kkiiệệmm (
(aa))
(
29
Như đã trình bầy ở trên, tín hiệu sóng được truyền đi trong mơi trường khơng khí thường xảy ra hiện tượng fading lựa chọn tần số, cụ thể là thành phần tần số khác nhau bị mờ dần một cách khác nhau bởi các kênh.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vấn đề này một cách rộng rãi và đề xuất nhiều giải pháp. Trong các hệ thống sóng mang thơng thường, chương trình cân bằng phức tạp được áp dụng để chống lại fading chọn lọc tần số này, các bộ cân bằng lý tưởng là có một phản ứng tần số đó là nghịch đảo chính xác của kênh, điều này thường địi hỏi một số lượng vơ hạn của máy cân bằng, tồi hơn, nhiễu gây ra trên các tín hiệu có thể được tăng cường thơng qua các bộ cân bằng khi hiện tượng fading xảy ra. Kết quả là, ngay với bộ cân bằng tốt nhất, một fading vẫn có thể dẫn đến lỗi liên kết truyền thơng trong các hệ thống đơn sóng mang. Đề xuất đầu tiên sử dụng truyền dữ liệu song song để chống lại kênh fading lựa chọn tần số được công bố khảng năm 1967. Trong hệ thống đó, chỉ có một số ít các kênh con sử dụng các sóng mang thuộc phạm vi mỗi băng tần của fading sâu, với sự trợ giúp của các mã sữa lỗi, dữ liệu bị hỏng dọc theo các kênh con có thể được phục hồi, vì thế mã sữa lỗi là một yếu tố không thể thiếu trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống truyền tải song song đầu tiên, một số kênh con không chồng chéo chia sẽ toàn bộ băng tần, như trong hình 3.1(a), Dữ liệu độc lập được điều chế vào kênh con khác nhau và sau đó những kênh con này được ghép theo tần số, mục đích của việc không chồng lấn các kênh con lên nhau là để loại bỏ sự can thiệp có thể có giữa các kênh con liền kề nhau, còn được gọi là sự giao thoa giữa các sóng mang con (inter-carrier interference - ICI), Chú ý rằng, khoảng bảo vệ giữa hai kênh con liền kề tạo nên sự lãng phí của quang phổ, vào giữa những năm 1960, hiệu quả quang phổ được cải thiện bằng cách lồng ghép các kênh con, như thể hiện ở hình 3.1(b), do đó đã tiết kiệm được khoảng 50% hiệu quả quang phổ, hướng tới mục tiêu này phương pháp điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được đề xuất và phát triển. OFDM không chỉ là một kỹ thuật ghép kênh tần số trực giao giữa các tín hiệu kênh con, mà cịn là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng
30
mang, vì vậy OFDM có thể được coi là một trong hai kỹ thuật ghép kênh hoặc như là một sơ đồ điều chế.
3.3.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
Thông thường, các máy phát đa sóng mang bao gồm một tập hợp của các bộ điều biến, với mỗi bộ điều biến này sẽ phát ra các sóng mang với tần số khác nhau, máy phát sau đó kết hợp các kết quả đầu ra của bộ điều biến và tạo ra tín hiệu truyền, giả sử rằng dữ liệu N được truyền là các giá trị Xk, k=1,2,..,N-1, với Xk là số phức được cho trong mơ hình chịm sao, như là điều chế QPSK hoặc QAM. Cũng giả sử rằng sóng mang thứ k có tần số cho Xk là fk, sau đó, các giá trị phức đa sóng mang của đầu ra của bộ truyền được cho bởi:
( ) = (3.1)
Hệ thống thông tin liên lạc hiện đại thường thực hiện phát và thu kỹ thuật số của họ bất cứ khi nào có thể, một máy phát kỹ thuật số sẽ tạo ra giá trị đầu ra của nó trong một mốt lẫy mẫu dữ liệu, cho bởi t=nTs, trong đó Ts là khoảng thời gian lấy mẫu, đầu ra của bộ truyền đa sóng mang kỹ thuật số lúc này sẽ là:
( ) = (3.2)
Hơn nữa, nếu tần số sóng mang thống nhất khoảng cách trong miền tần số bằng một khoảng cách tần số của fs, ví dụ fk = kfs, k=0,1,2,...,N-1, ta được:
( ) = (3.3)
Hãy cho fs=1/(NTs), sự tách biệt tối thiểu để giữ được tính trực giao giữa các tín hiệu trên các bộ điều biến khác nhau, sau đó tín hiệu OFDM dược cho bởi:
( ) = /
31
Các sóng mang được gọi là sóng mang con và thường có thêm một lần điều chế để dịch tất cả các sóng mang con đến một băng tần cao hơn, ngoại trừ cho một phép nhân hằng số (1=N) cơng thức trên là phương trình của N điểm
Hình 3.2. Phân bố phổ cơng suất tín hiệu OFDM
biến đổi ngược công thức fourier (inverse discrete fourier transform - IDFT), nếu N là bội của 2, sẽ có rất nhiều các thuật tốn nhanh và hiệu quả để thực hiện như là một thao tác IDFT, nó như là hiệu quả hiện thực kỹ thuật số của máy phát OFDM, kỹ thuật OFDM là một giải pháp khả thi đối với hệ thống thông tin liên lạc tiên tiến, khơng có miền thời gian cụ thể trên ký hiệu OFDM để hình thành dạng sóng, sóng mang con OFDM có phổ sóng dạng hình sin, thể hiện trong hình 3.2.
3.3. Các vấn đề liên quan đến OFDM
3.3.1. Khoảng bảo vệ
Trong kênh vơ tuyến, bên nhận có thể nhận nhiều bản sao chậm trễ của tín hiệu truyền và nó được gọi là hiệu ứng đa đường.
K
Kýý hhiiệệuu 11
K
32
Hình 3.3. (a) Minh hoạ của ISI do chậm trễ đa đường, (b) Khoảng bảo vệ bằng không để tránh ISI, (c) khoảng bảo vệ với tiền tố lặp để loại bỏ ISI.
Hình 3.3a cho thấy một kịch bản trong đó có hai bản sao của sóng nhận được, một đến trước và một là do hiện tượng chậm trễ gây ra, nhiễu liên ký tự được gây ra bởi vì đi của một phần của kỹ hiệu 1 sẽ can thiệp vào việc sử lý