Như ta đã biết kỹ thuật OFDM là một phương pháp truyền tin 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 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 Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một điểm quan trọng trong hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bít 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 bít trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bít phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn trong 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 một bít 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 khoa học đã được thực hiện 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 thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu những năm 80 của thế kỷ 20, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d‟Etudes en Télediffusion et Teslecommunication) dựa vào các lý thuyết Weistein 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 Division Multiplexing). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số là 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 ( Code OFDM). Trong các hệ thống thông tin này, tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã hóa kênh với 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 và 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.
2.1.1.1 Các ƣu và nhƣợc điểm
Bên cạnh những ưu điểm trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật này còn nhiều ưu điểm cơ bản khác liệt kê sau đây:
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 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.
Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
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 từ 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 khuếch đại công suất của bộ phát. Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo 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 nhiễu được ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin 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 số (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
- Ảnh hưởng về sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các Symbol. Với một kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offset có thể bằng khoảng bảo vệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con mà thôi. Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ thì hoạt động của hệ thống suy giảm nhanh chóng. Nguyên nhân là do các Symbol trước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần nội dung của các Symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference).
- Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số. Giải điều chế tín hiệu OFDM có thể gây ra sai về tốc độ bít. Điều này làm cho tính trực giao giữa các Subcarrier bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha không sửa chữa được ở bộ thu).
- Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo hai nguồn chính: lỗi của bộ dao động và hiệu ứng Doppler. Bất kỳ một sự đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây ra offset về tần số. Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng.
- Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu. Điều này có thể hiểu là sự offset trong tần số môi trường truyền tư do, nó có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động. Một vấn đề quan trọng của hiệu ứng Doppler đó là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi trường truyền đa đường. Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình “điều chế tần số” cho tín hiệu. Quá trình này diễn ra ngấu nhiên trên các Subcarrier do môi trường bình thường, một lượng lớn phản xạ đa đường xả ra. Trai Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu.
Ngày nay OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, máy tính không dây tốc độ cao Hiper LAN, truyền hình mặt đất DVB-T và đặc biệt trong hệ thống thông tin di động thứ 4…
2.1.1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL, FTTx … rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống chính là nhờ cộng nghệ OFDM.Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL, FTTx tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ internet hiện đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa.Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLan/2, IEEE 802.11a, hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G – LTE) cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam.
2.1.1.3 Các hƣớng phát triển
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a và hệ thống thông tin di động thứ 4. Đặc biệt trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuât khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong thực tế.
2.1.1.4 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM
1957: Kineplex, multi-carrier HF modem.
1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM. 1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ.
1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động. 1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting. 1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên.
1997: Chuẩn ETSI DVB-T.
1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN. 1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiplerLAN/2 cho Wireless LAN. 2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flasd-OFDM). 2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16.
2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN. 2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a).
2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN (WiMAX).
Được dùng trong chuẩn ETSI DVB-H.
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM). Được đề cử cho chuẩn IEEE.802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN. 2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2). Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK).
2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật của OFDM
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến.Còn trong thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này được nhắc đến dưới cái tên đa tần (DMT).Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W. Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đã được biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin được truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM được xếp vào phương thức truyền dẫn đơn
sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số. Tất cả các trạm phát đồng thời nhưng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau. Dải thông các tín hiệu này được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt được tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mang khác. Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có một khoảng tần số không được sử dụng để truyền tin tức. Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế để nhận được tin tức cần thu. Như vậy có thể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số.
Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên một số
Nn sóng mang con (Nn có thể điều chỉnh được tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang sử dụng trong FDM.Nn sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến. Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm. Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần.
Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau nên các sóng mang có thể được điều chế theo cả 2 phương thức: tương tự và số. Trong OFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phương thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một nhóm các bit được truyền một cách song song. Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dưới dạng các khối phổ riêng rẽ.Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn được đảm bảo.
2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
một tín hiệu thành một số tín hiêu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và trên các kênh truyền tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM.
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang
2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian.
Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lấn lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.
2.1.3 Trực giao trong OFDM
ORTHOGONAL là thuật ngữ đề cập đến một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường.
Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khác nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng