Các sóng mang phụ sau khi đợc cấp phát các bit thông tin để truyền
đi, chúng sẽ đợc điều chế pha và biên độ bằng các phơng thức điều chế thích hợp. Lúc này sóng mang đợc biểu diễn bằng vector IQ. Quá trình điều chế
vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo một sơ đồ điều chế (Constellation) cụ thể. Do đó quá trình này còn gọi là Mapping.
Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu. Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận đợc không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã. Do đó với mỗi phơng thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định. Ví dụ với phơng thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N =
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian
Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định đợc cho mỗi sóng mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin đợc truyền đi và ph- ơng thức điều chế sóng mang đợc sử dụng, những sóng mang con không
truyền tin sẽ có biên độ bằng 0. Đây là bớc xây dựng tín hiệu OFDM trong
miền tần số. Để truyền đợc thì tín hiệu OFDM phải đợc chuyển về miền thời gian bằng IFFT. Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tơng ứng với một sóng mang con. Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ đợc sử dụng nh dải bảo vệ
Hình 2-5 Tạo tín hiệu OFDM, giai đoạn IFFT
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)
Tín hiệu OFDM đợc tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ ở tần số cơ sở, tín hiệu này còn phải đợc nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền dẫn. Bớc này có thể áp dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số. Cả 2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số có xu hớng chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ thuật điều chế số cho giá trị pha chính xác hơn.
Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật tơng tự
Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)
Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Nếu sử dụng phơng thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với tốc độ bit. Nh ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông cho trớc ở trên chia cho N sóng mang con. Do vậy tốc độ bit của một tín hiệu
OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả năng chịu ISI rất tốt.
Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗi symbol . Dải bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó. Thờng thì ngời ta hay dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó. Khi đó khoảng bảo vệ GI đợc gọi là CP (Cyclic Prefix). Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Nh đã đề cập ở trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn đợc liên tục, không có sự ngắt quãng giữa các symbol. Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi do sự xê dịch thời gian ở máy thu.
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian
Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng symbol để lấy ra đợc biên độ và pha của sóng mang con. Với các hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thớc FFT phải nh nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì đợc tính trực giao giữa các sóng mang con. Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu đợc có thời gian lấy mẫu là TG + TFFT, trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín hiệu trong khoảng thời gian TFFT. Do đó khoảng thời gian TG là thừa. Với một kênh truyền lý tởng không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các symbol. Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý tởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn. Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu đợc. Lợng quay pha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con. Giả sử lợng thời gian xê dịch là nh nhau với các symbol
khác nhau, khi đó lợng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng đợc loại bỏ bởi bớc cân bằng kênh truyền. Trong môi trờng đa đờng, dải bảo vệ càng lớn thì ISI càng đợc loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian càng đợc giảm thiểu.
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của một sóng mang con phải đợc giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì đợc sự trực giao giữa các sóng mang con. Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị biến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa các sóng mang con (ICI). Tại biên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi đột ngột tới giá trị mới tơng ứng với symbol mới. Trong môi trờng đa đờng, ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lợng giữa các symbol với nhau, do đó sẽ có sự thay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm bắt đầu của symbol. Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tại thời điểm bắt đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và pha thực sự của nó. Biên độ và pha này sẽ liên tục thay đổi dới sự tác động của các thành phần đa đờng. Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn của kênh truyền. Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi nhận diện pha và biên độ sóng mang. Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa đ- ờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có thể đợc hiệu chỉnh bởi bớc cân bằng kênh truyền. Việc chèn thêm dải bảo vệ đã giải quyết đợc phần lớn các ảnh hởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhng dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không vợt quá phạm vi của nó. Trong thực tế, các thành phần đa đờng suy giảm rất chậm theo thời gian, trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thì hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnh hởng của ISI lên tín hiệu thu.
Hình 2-8 Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ
Hình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việc trong môi trờng đa đờng. Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa đờng suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu. Quan sát trong khoảng thời gian 16 mẫu, tơng đơng với 99% tổng năng lợng của các đáp ứng xung thu nhận đợc. Hình trên cho thấy tơng quan giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) hiệu dụng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm kênh truyền. S/N hiệu dụng là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thu sau bớc giải điều chế. Nói một cách ngắn gọn, S/N hiệu dụng đại diện cho chất lợng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đại diện cho chất lợng kênh truyền. Dễ thấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ hơn S/N kênh truyền, do S/N hiệu dụng còn phải chịu các ảnh hởng do hiện t- ợng đa đờng gây ra. Ngời ta thờng dùng tỷ số lỗi bit (BER) để đánh giá chất l- ợng thông tin của một hệ thống. Tuy nhiên ở đây ta xem xét hệ thống OFDM một cách tổng thể, độc lập với phơng thức điều chế sóng mang nên ta dùng S/N để đánh giá chất lợng thông tin của hệ thống. BER ứng với một phơng thức điều chế cụ thể sẽ đợc suy ra từ S/N hiệu dụng.
Kết quả mô phỏng cho thấy, S/N hiệu dụng tỷ lệ với S/N kênh truyền. Điều này là hợp lý bởi nếu chất lợng kênh truyền đợc cải thiện thì chất lợng thông tin thu đợc cũng sẽ đợc cải thiện. Ta có thể nhận thấy, dải bảo vệ càng lớn thì S/N hiệu dụng càng đợc cải thiện. Với S/N kênh truyền bằng 45dB, nếu
dải bảo vệ chỉ dài 4 mẫu thì S/N hiệu dụng bằng 15dB, trong khi nếu tăng dải bảo vệ lên 16 mẫu thì S/N hiệu dụng đạt tới 25dB. Nh vậy dải bảo vệ càng lớn thì năng lợng ISI bị lọc bỏ càng lớn. Tuy nhiên với độ dài dải bảo vệ là 16 mẫu nh trên thì ảnh hởng của ISI vẫn còn rất đáng kể. Với cùng điều kiện về trễ truyền dẫn và độ dài dải bảo vệ, S/N hiệu dụng còn có thể đợc cải thiện bằng cách sử dụng các phơng thức điều chế sóng mang đơn giản nh BPSK, QPSK. Nhng nh thế đồng nghĩa với việc hiệu quả sử dụng phổ tần số sẽ thấp hơn là dùng các phơng thức điều chế cấp cao khác. Để đạt đợc hiệu quả sử dụng phổ tần số cao, trong khi S/N hiệu dụng đạt mức 35dB thì độ dài tối thiểu của dải bảo vệ phải là 64 mẫu.
Trên cùng là kết quả mô phỏng của 2 hệ thống có cùng độ dài dải bảo vệ là 64 mẫu, một hệ thống chạy 80 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là
128, và hệ thống còn lại chạy 320 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là
512. Nh vậy 2 hệ thống có cùng một băng thông. Đáp ứng kênh truyền với hệ thống 320 sóng mang bằng phẳng hơn nên cho SNR hiệu dụng cũng tốt hơn. Tăng số sóng mang con sẽ cải thiện chất lợng thông tin của toàn hệ thống. Tuy nhiên, đến một mức độ nào đó thì tăng số sóng mang con lại làm giảm chất lợng thông tin. Vấn đề này ta đã đề cập đến ở các mục trớc và sẽ còn tiếp tục đợc làm rõ ở các mục sau.
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang :
Chèn dải bảo vệ sẽ làm chậm tốc độ symbol nhng không ảnh hởng đến sự phân cách giữa các sóng mang tại máy thu. Khoảng cách giữa các sóng mang quyết định bởi tốc độ lấy mẫu và số điểm thực hiện FFT tại máy thu :
FFT S N F f = ∆ Trong đó:
∆f là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (Hz).
FS là tốc độ lấy mẫu (Hz).
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM
Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóng mang con dạng sin đã đợc qua điều chế. Mỗi sóng mang con đợc đặt trong một cửa sổ thời gian dạng chữ nhật. Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đợc tạo ra. Hình dới đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phơng thức điều chế PSK. Biên độ của sóng mang là không đổi, nhng pha thay đổi theo symbol. Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột của sóng mang. Kết quả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng lợng giữa các symbol trong miền tần số.
Hình 2-9 Dạng sóng trong miền thời gian của sóng mang con
Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM cha qua lọc. Ta thấy với trờng hợp tín hiệu gồm 1536 sóng mang con có sự suy giảm của các búp sóng phụ nhanh hơn trờng hợp 52 sóng mang con. Tuy nhiên năng lợng của các búp sóng phụ trong trờng hợp này vẫn rất còn đáng kể ở khá xa khối phổ của các búp sóng chính. Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Có 2 kỹ thuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụ tới mức có thể chấp nhận đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosin).
Hình 2-10 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con
Hình 2-11 Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con
2.4.1 Lọc thông dải
Khi tín hiệu số đợc chuyển sang dạng tơng tự để truyền dẫn thì bộ lọc đ- ợc dùng để tránh “tạp” (aliasing). Tạp là hiện tợng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệu tơng tự đợc số hoá. Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ đợc các búp sóng phụ của tín hiệu OFDM. Lợng búp sóng phụ đợc lọc bỏ phụ thuộc vào độ nhọn của bộ lọc đợc sử dụng. Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyến lọc cũng nh tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tơng tự. Do đó trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn dải tín hiệu. Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố phổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợc gọi là bộ lọc số. Hình 2-12 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua bộ lọc. Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải. ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phơng pháp cửa sổ để tổng hợp. Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhng đồng nghĩa với nó là
chi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNR hiệu dụng của hệ thống. Hơn nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng lợng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con này và gây ra ICI. Nh trên hình 2-13 ta có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lợng ở búp sóng chính.
Hình 2-12 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc
Hình 2-13 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3
Đến nay vẫn cha có những nghiên cứu đầy đủ về những ảnh hởng của lọc thông dải lên tín hiệu OFDM cũng nh sự giảm S/N hiệu dụng gây bởi quá trình lọc. Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM đợc đóng gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Nhng cũng chính nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, và những ảnh hởng này cần phải đợc lu ý tới khi thiết kế hệ thống.
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng
Một trong những phơng pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 trớc khi chuyển sang symbol khác. Điều này tạo ra một sự chuyển