9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƯỜNG
những vấn đề về đường truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hưởng lên hệ thống. Nhưng vì mơi trường dưới nước là mơi trường có tính chất phức tạp hơn nên việc khơi phục tín hiệu sau khi truyền đi cũng tương đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền thông dưới nước đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đưa ra các biện pháp kỹ thuật mới được đề cập trong nội dung của luận án.
1.4. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong mơi trường dướinước nước
Có nhiều kỹ thuật được sử dụng cho việc truyền thông tin dưới nước như ASK, FSK, M_PAM, M_QAM. Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau [1,2]. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng thơng thì kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được luận án lựa chọn. Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã được áp dụng trong [6], [17].
Luận án sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và mơ hình hệ thống OFDM để qua đó ta có cái nhìn tổng qt về kỹ thuật OFDM và ứng dụng kỹ thuật đó trong truyền thơng dưới nước.
1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM
OFDM là cụm từ viết tắt của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép
kênh. Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N
chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời. Ở phía q trình thu tín hiệu thì được thực hiện ngược lại.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing). Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều
chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có thể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM.
Phổ tín hiệu FDM
Phổ tín hiệu OFDM
Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu.
Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến tồn bộ tín hiệu (Hình 1.3a). Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 1.3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hố sửa sai.
Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang
b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
1.4.2. Tính trực giao
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu như chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thơng tin được truyền và thu tốt trên một kênh
f
Băng thông tiết kiệm
truyền chung và khơng có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thơng tin này bị xun nhiễu lẫn nhau và bên thu khó khơi phục lại được hồn tồn thơng tin ban đầu. Trong hệ thống OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khơi phục mà khơng có xun nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đơi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa mãn điều kiện.
∫ S (t).S*(t)dt = K i = j (1.1) T i j 0 i ≠ j
với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:
sin(2π k f (t) = T t) 0 < t < TS (1.2) k S 0 t ∉(0,TS ) với k = 0, 1, …, N-1
Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng F = 1 và trực giao từng đôi
S S
một do thỏa mãn điều kiện. Ta xét hai sóng mang πk1 t và πk 2 t Sin 2 TS Sin 2 TS TS k1 k 2 1 TS t t (1.3) ∫ Sin 2 π T t .Sin 2 πT t dt = 2 ∫ cos2 π(k1 − k 2 ) T −cos2 π(k1 + k 2 )T dt = 0 0 S S 0 S S S T
Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao
Như vậy, các sóng mang trực giao từng đơi một hay cịn gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sin(x) do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null (tại đây biên độ bằng 0) tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang cịn lại (Hình 1.4) và do đó các sóng mang khơng gây nhiễu cho nhau.