Chương 2: Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.4. Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM
Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóng mang con dạng sin đã được qua điều chế. Mỗi sóng mang con được đặt trong một cửa sổ thời gian dạng chữ nhật. Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM được tạo ra. Hình dưới đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phương thức điều chế PSK. Biên độ của sóng mang là không đổi, nhưng pha thay đổi theo symbol. Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột ngột của sóng mang. Kết quả của sựđổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng lượng giữa các symbol trong miền tần số.
Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM chưa qua lọc. Ta thấy với trường hợp tín hiệu gồm 1536 sóng mang con có sự suy giảm của các búp sóng phụ nhanh hơn trường hợp 52 sóng mang con. Tuy nhiên năng lượng của các búp sóng phụ trong trường hợp này vẫn rất còn đáng kểở khá xa khối phổ của các búp sóng chính. Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Có 2 kỹ thuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụ tới mức có thể chấp nhận được là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosin).
Hình 2.14; Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con
Hình 2.15: Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con
2.4.1. Lọc thông dải
Khi tín hiệu số được chuyển sang dạng tương tự để truyền dẫn thì bộ lọc được dùng để tránh “tạp” (aliasing). Tạp là hiện tượng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệu tương tự được số hoá. Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ được các búp sóng phụ của tín hiệu OFDM. Lượng búp sóng phụ được lọc bỏ
phụ thuộc vào độ nhọn của bộ lọc được sử dụng. Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyến lọc cũng như tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tương tự. Do đó trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn dải tín hiệu. Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố phổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho được gọi là bộ lọc số. Hình 2-16 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua bộ lọc. Hình 2-17 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải. ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phương pháp cửa sổ để tổng hợp. Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhưng đồng nghĩa với nó là chi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNR hiệu dụng của hệ thống. Hơn nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng lượng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con này và gây ra ICI. Như trên hình 2-17 ta có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lượng ở búp sóng chính.
Hình 2.17: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3
Đến nay vẫn chưa có những nghiên cứu đầy đủ về những ảnh hưởng của lọc thông dải lên tín hiệu OFDM cũng như sự giảm S/N hiệu dụng gây bởi quá trình lọc. Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM được đóng gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Nhưng cũng chính nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, và những ảnh hưởng này cần phải được lưu ý tới khi thiết kế hệ thống.
2.4.2. Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng
Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 trước khi chuyển sang symbol khác. Điều này tạo ra một sự chuyển đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm được năng lượng của các búp sóng phụ. Hình dưới đây là cấu trúc của một OFDM symbol được chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosine).
Hình 2.17: Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau mà chỉ gây ra một lượng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết được. Ưu điểm của việc chồng phổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăng thêm yêu cầu về dải thông cho symbol.