2.1. Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian 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 tựISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳđể tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chếđa sóng mang khơng chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thơng. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 37 DFT Giải điều chế băng tần cơ sở P/S Dữ liệu Tín hiệu thu được r(t) S/P Điều chế băng tần cơ sở IDFT Chèn khoảng bảo vệ T hiệ ề Dữ liệu Bỏ khoảng bảo vệ
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm.Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài.Tuy nhiên khơng có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từgói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần cókhoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh đểngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ.Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 38
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dịng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT.Khối này sẽ tính tốn các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệđược chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…
Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽđược cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽđược sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồđiều chếđể ánh xạ tín hiệu thơng tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một sốsơ đồ điều chếtương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồđiều chếsóng mang đơn chung cho thơng tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 39
thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khảnăng giao thoa sóng mang.
Trong cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ.
Hình 2.3: Phổ sóng mang con OFDM [10].
2.1.1. Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang.
Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn
Các ký tựphát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
exp(j 0t)
C1 Kênh
exp(-j 0t)
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 40
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang.
2.1.2. Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu khơng phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thơng thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khơi phục dữ liệu có ích.
Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác. Để khơi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để khơng có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thơng tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được.Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế.Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang
exp(j2πf1t) exp(j2πf2t) Kênh truyền C1 C2 exp(j2πfNsct) CNsc exp(-j2πf1t) C1’ exp(-j2πf2t) C2’ exp(-j2πfNsct) C’Nsc
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 41
Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác.Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt cơng nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp nên phương phápnày đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
2.1.3. Sự trực giao (Orthogonal)
Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thơng thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chếthông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là khơng hồn tồn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang . 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 thểthu được chính xác mà khơng có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Để có được kết quảnhư vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi 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 mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳτ, kết quả tính tích phân 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 là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 42
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn của dạng sóng, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thểđược lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, các sóng mang con khơng bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xửlý băng tần gốc.
Hình 2.6: Các sóng mang con trực giao[10]
• Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang. Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT).Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz. Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bảnchất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ.Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thông tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 43 exp(j2πf1t) exp(j2πf2t) Kênh C1 C2 exp(j2πfNsct) CNsc exp(-j2πf1t) C1’ exp(-j2πf2t) C2’ exp(-j2πfNsct) C’Ns c z exp(j2πft) z=Re{c.exp(j2πft)} Điều chế/Giải điều chế IQ
2.2. Biểu thức tốn của một tín hiệu OFDM
OFDM là một loại của MCM (multicarrier modulation), cách thực hiện khái qt như hình 2.1. Tín hiệu MCM được gửi đi s(t) có dạng [10]:
∑∑+∞ −∞ = = − = i N k s k ki sc iT t s c t s 1 ) ( ) ( (2.1) ∏ = j f t k k e t t s ( ) ( ) 2π (2.2) ∏ > ≤ ≤ < = ) , 0 ( , 0 0 , 1 ) ( s s T t t T t t (2.3) Với cki là kí hiệu thứ i tại sóng mang con thứ k, sk là dạng sóng của sóng mang con thứ k, Nsc là số sóng mang con, fk là tần số sóng mang con, Ts là khoảng thời gian một kí hiệu, và ∏(t) là hàm cửa sổ. Bộ tách sóng tối ưu cho mỗi sóng mang con sử dụng bộ lọc thích hợp với dạng sóng của sóng mang con hoặc một bộ tương quan phù hợp với sóng mang con như hình 2.7.
Hình 2.7:Sơ đồ khối điều chếđa sóng mang
Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong hệ thống thơng tin quang bảo mật tốc độ cao
Trang 44 dt e iT t r T dt s iT t r T c s j f t T s T k s s ki k s s π 2 0 0 * ) ( 1 ) ( 1 ' = ∫ − = ∫ − − (2.4) với r(t) là tín hiệu thu được trong miền thời gian. MCM cổ điển sử dụng giới hạn các tín hiệu băng thơng khơng chồng chéo lên nhau và có thể thực hiện với một lượng lớn các bộ tạo dao động và lọc ở cả đầu thu và phát. Nhược điểm chính của MCM là u cầu băng thơng lớn. Điều này cần phải thiết kế bộ lọc và bộ tạo dao động với giá có hiệu quả, khoảng kênh trống phải dùng để tăng tốc độ ký hiệu, làm giảm hiệu quả phổ đáng kể. Một thành tựu mới, OFDM, được khám phá bằng cách