Như chúng ta đã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo
tần số trực giao có mã sửa sai COFDM (Coded OFDM) như một phương thức
điều chế dữ liệu. OFDM là một dạng đặc biệt của hệ thống điều chế đa sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao.
Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm trong thực tế, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo. Và cũng sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhưng vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt
điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao.
Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biễu diễn:
( ) jk tU
K t e w
y =
với wU =2 /p TU , và điều kiện trực giao mà sóng mang phải thoả mãn là:
( ) * ( ) 0, U T K t L t dt k l t t y y + = ¹ ò =T kU, =l
Về ý nghĩa vật lý, khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây nhiễu. Về phương diện phổ, điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang này rơi vào điểm bằng không của sóng mang khác. Vì các sóng mang được đặt chồng lấn lên nhau nên dải phổ tổng cộng sẽ nhỏ hơn so với điều chế sóng mang đơn, nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Có thể là các lỗi xảy ra trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay phase-noise trong các bộ tạo dao động nội. Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận được.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc nhưng chúng được thay thế bằng phép biến đổi FFT. Bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các
sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, mà mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ ánh xạ (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục thực và ảo. Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mang trong miền tần số sang miền thời gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần thực và ảo được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi ánh xạ ngược (Demapping) để xác định biểu đồ bit tương ứng, các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền.
Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16 QAM hay 64 QAM, mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit. Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi. Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao. Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ được truyền trong cùng
một thời điểm. Luồng dữ liệu có mức ưu tiên cao (HP) được điều chế QPSK và luồng có mức ưu tiên thấp được điều chế 16-QAM hoặc 64-QAM.
Hình 3.10 Phân bố sóng mang (chưa chèn khoảng bảo vệ)
Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung. Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát TPS (Transmission Parameter Signalling). Lý do của việc hình thành các siêu khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù chọn bất kỳ cấu hình tham số phát nào, điều này tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz. Hình 3.10 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số. Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:
- Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ...) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 sóng mang với chế độ 8K, và 1512 sóng mang với chế độ 2K.
- Các pilot liên tục: bao gồm 177 pilot với chế độ 8K, và 45 pilot với chế độ 2K. Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8 MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha. - Các pilot rời rạc: bao gồm 524 pilot với chế độ 8K, và 131 pilot với chế độ 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Chúng không có vị trí cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8 MHz. Bên máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
- Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác. - Các sóng mang thông số phát TPS chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK, vì thế trên biểu đồ chòm sao chúng nằm trên trục thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K. Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8 MHz.
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định. Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU. Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ. Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù
được thực hiện tại phía phát. Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB: 1/4TU, 1/8TU, 1/16TU và 1/32TU. Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ. Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích, vì vậy với cùng chế độ phát, Tg càng lớn thì thông tin hữu ích sẽ càng ít, do đó số lượng chương trình sẽ giảm. Nhưng Tg càng lớn thì khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả. Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao và với thông số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T. Các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo đại tá, PGS - TS Nguyễn Quốc Bình cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Thông tin, khoa Điện tử Viễn Thông, Học Viện Kĩ Thuật Quân Sự, tôi đã hoàn thành đồ án đúng tiến độ và yêu cầu đề ra
Đồ án “OFDM và ứng dụng trong WiMAX” nghiên cứu về một công nghệ mới mà hiện nay công nghệ này đã được kết nối thử nghiệm tại khoảng trên 100 điểm trên toàn thế giới. Việt Nam cũng chính thức triển khai thử nghiệm dịch vụ truy nhập Internet không dây tốc độ cao - WIMAX tại tỉnh Lào Cai vào ngày 14/6/2006.
Với kết quả đạt được, tôi hi vọng đồ án của mình đã phần nào giúp các bạn có cái nhìn khái quát công nghệ OFDM và WiMAX, những ưu điểm nổi bật của OFDM và việc ứng dụng OFDM trong các mạng thông tin nói chung và mạng WiMAX nói riêng.
Do thời gian chuẩn bị còn hạn hẹp và trình độ nhận thức của bản thân còn hạn chế nên đồ án của tôi còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PSG, TS Đinh Thế Cường, PGS, TS Nguyễn Quốc Bình, ThS Đỗ Công
Hùng, “Tối đa hoá dung lượng thông tin cho hệ thống OFDM bằng các
giải pháp thích nghi”, Học Viện Kỹ thuật Quân Sự.
2. TS Trần Xuân Nam, “Principles of OFDM for Wireless Communications”,
2005.
3. ThS. Nguyễn Quốc Khương, TS. Nguyễn Văn Đức, ThS. Nguyễn Trung
Kiên, KS. Nguyễn Thu Hà, “WiMax - Công nghệ truy nhập mạng không
dây băng rộng”, Tạp chí Bưu chính viễn thông và công nghệ thông tin, 13/03/2006.
4. Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of
WiMAX: understanding broadband wireless networking”, Theodore S. Rappaport, Series Editor, 2007.
5. H. Labiod Enst, H. Afifi Int, C. De Santis Int, “WI-FITM, BLUETOOTHTM,
TMZIGBEETM, AND WIMAXTM”, Springer, 2007.
6. Syed Ahson Mohammad Ilyas, “WiMAX Standards and Security”, CRC
Press, 2007.
7. R. V. Nee anh R. Prasad, “OFDM for wireless multimedia communications”, Artech Universal Personal Communications Library 8. Tạp chí Việt báo.vn, “Các băng tần WiMAX”, http://vietbao.vn/Vi-tinh-