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 phổ của hệ thống.
Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần các sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol 𝝉), thì kết quả tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/𝜏. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter – Carrierinterference) cũng làm mất đi tính trực giao.
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau hay là tích của 2 vector bằng 0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng 0 (ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây). Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau:
sin 𝜔 𝑑𝑡 = 0
2𝜋𝑘 0
(2.1) Quá trình tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích bên dưới đường cong tín hiệu.
Nếu quá trình nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau. Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0.
Hình 2.3: Tích phân các sóng sin có cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng sin hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình trên).Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được sang miền tần số nhờ sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT).
Việc giải điều chế được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác. Sau đó phép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng một chuỗi trực giao.
2.1.3.1 Biểu diễn sự trực giao dƣới dạng toán học
𝑓 𝑡 𝑔 𝑡 𝑑𝑡 = 0
𝑡1
𝑡0
(2.2) Nếu f(t) và g(t) là hai hàm phức, tính chất trên được định nghĩa là:
𝑓(𝑡) 𝑡1 𝑡0 𝑔∗ 𝑡 𝑑𝑡 = 𝑓∗ 𝑡 𝑔 𝑡 𝑑𝑡 = 0 𝑡1 𝑡0 (2.3) Trong đó f*(t) là g* (t) liên hợp phức của f(t) và g(t). Nhận xét : từ định nghĩa ta có thể chứng minh rằng :
Tập hợp các hàm (cosn 𝜔0𝑡, sin 𝜔0𝑡 ) trực giao từng đôi trên đoạn 𝑡0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑡0 + 𝑘2𝜋
𝜔0 với m, n ≠ 0, 𝑚 ≠ 𝑛 và k nguyên dương nghĩa là :
cos 𝑛𝜔0𝑡 cos 𝑚𝜔0𝑡 = 0 𝑡0+𝑘.2𝜋 𝜔0 𝑡0 (2.4) cos 𝑛𝜔0𝑡 sin 𝑚𝜔0𝑡 = 0 𝑡0+𝑘.2𝜋 𝜔0 𝑡0 (2.5) sin 𝑛𝜔0𝑡 sin 𝑚𝜔0𝑡 = 0 𝑡0+𝑘.2𝜋 𝜔0 𝑡0 (2.6)
Hình 2.4: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM
Do vậy ta có thể dùng tập hợp trên như một tập hàm vector cơ sở trực giao. Sóng mang con trong một tín hiệu OFDM được đặt chồng lấp lên nhau mà vẫn duy
trì tính trực giao giữa chúng. Tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu sin, với mỗi tín hiệu sin tương ứng một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian ký tự, kết quả là tất cả các sóng mang đều có một số nguyên lần chu kỳ trên một ký tự OFDM, vậy các sóng mang con trực giao với nhau. Hình 2.4 thể hiện cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.
2.1.3.2 Trực giao trong miền tần số
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xét trong miền tần số của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang con có đáp ứng tần số là sinc = sin(x)/x như ta thấy trong hình 2.5. Đó là kết quả của thời gian ký tự tương ứng với nghịch đảo khoảng cách sóng mang. Xa hơn bộ thu là liên quan đến mỗi ký tự OFDM truyền trong một khoảng thời gian cố định (TFFT) với việc không bóp nhọn tại đầu cuối của ký tự. Thời gian ký tự này tương ứng với biến đổi ngược của khoảng cách sóng mang con của 1/TFFT Hz. Tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền thời gian thì sẽ có đáp ứng tần số là sinc trong miền tần số. Hình dạng sinc có một búp chính hẹp, với nhiều búp cạnh suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau từ trung tâm. Mỗi sóng mang con có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗng với lỗ hổng tần số bằng khoảng cách sóng mang.
Bản chất trực giao của việc kết quả truyền là kết quả của đỉnh sóng mang con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại. Khi tín hiệu được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình 2.5, mà gồm các mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “0” như trong hình. Nếu DFT được đồng bộ thời gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng với đúng đỉnh của sóng mang con, vì vậy sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang con không ảnh hưởng đến bộ thu. Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng với đáp ứng rỗng, dẫn đến sự trực giao giữa các sóng mang con.
Hình 2.5: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con
Tại hình 2.5 đáp ứng tần số của hai sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone. Hình 2.5 chỉ phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét bởi bộ thu. Chú ý mỗi sóng mang định dạng trong miền tần số là sinc (sin(x)/x). Hình 2.5 chỉ sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con (đường đen đậm).
2.1.4 Biểu thức của tín hiệu OFDM
Như ta đã biết, một sóng mang là một dao động điều hòa có thể được mô tả bởi:
𝑆𝑐 𝑡 = 𝑅𝑒 𝐴𝑐(𝑡)𝑒𝑗 [𝜔𝑐+𝜑𝑐 𝑡 ] (2.7)
Với Ac(t) và 𝜑c(t) là biên độ và pha của sóng mang trong từng symbol. Chẳng hạn như với điều chế QPSK, symbol thứ p trong khoảng thời gian (p-1) 𝜏 < 𝑡 < 𝑝𝜏, 𝜑𝑐(𝑡) sẽ nhận một trong 4 giá trị 00, 900, 1800, 2700.
Trong đó OFDM có nhiều sóng mang, ví dụ N sóng mang, tín hiệu sẽ có dạng :
𝑆𝑠 𝑡 = 𝑅𝑒