a) Chòm sao tin hiệu thu b) Tỷ lệ lỗi bít của hệ thống Hình 1.7 Ảnh hƣởng của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc
1.2NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 1 Nguyên lý OFDM
1.2.1 Nguyên lý OFDM
a. Giới thiệu chung
Từ mục 1.1 ta đã thấy đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn hiệu quả phổ có thể tăng đƣợc nhờ sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều trạng thái và pha- đinh đa đƣờng chọn lọc có thể khắc phục đƣợc nhờ một loạt các biện pháp khác nhau. Tuy nhiên, khi dung lƣợng của hệ thống trở nên rất cao do nhu cầu phát sinh bởi sự ra đời ngày một nhiều các dịch vụ băng rộng (cuộc gọi thấy hình – video call, hội nghị truyền hình – video conference, truyền hình số và truyền hình số di động, trao đổi các file dữ liệu dung lƣợng lớn…) với sự tham gia của ngày càng nhiều ngƣời sử dụng, thì dù có sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức nhƣ M-
IBPDi nhỏ IBPD lớn f f GB a) b) fc1 fcN W W/N
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
QAM với M lớn, độ rộng băng tín hiệu cũng vẫn trở nên rất lớn. Các đòi hỏi về tăng hơn nữa hiệu quả phổ cũng nhƣ khắc phục tốt pha-đinh đa đƣờng chọn lọc, do vậy, vẫn cứ không ngừng đƣợc đặt ra, thúc đẩy việc nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp mới đáp ứng đƣợc các yêu cầu này. Cùng với sự phát triển về công nghệ trong lĩnh vực các vi mạch quy mô lớn VLSI (Very Large Scale Integrated circuit) có tốc độ xử lý rất lớn, kỹ thuật OFDM đã trở thành hiện thực và đƣợc áp dụng ngày một nhiều trong các hệ thống truyền dẫn số, cả vô tuyến cũng nhƣ hữu tuyến, cho phép tăng hiệu quả phổ và chống pha-đinh đa đƣờng chọn lọc rất hữu hiệu.
OFDM đƣợc xem rộng rãi là một phƣơng thức điều chế số hơn là một phƣơng thức ghép kênh, trong đó luồng dữ liệu tốc độ rất cao đầu vào V với độ rộng băng rất lớn W đƣợc chia thành N (khá lớn) luồng con dữ liệu tốc độ thấp hơn N lần (do đó có độ rộng băng nhỏ hơn nhiều, W/N) và điều chế song song các luồng con đó lên N sóng mang con trực giao nhau.
Vì khoảng thời gian symbol tăng lên do các kênh sóng mang con song song có tốc độ thấp hơn N lần nên độ rộng băng của từng kênh con rất hẹp, nhỏ hơn Bc
của kênh, do vậy pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số cố hữu đối với các hệ thống vô tuyến lại xem nhƣ chỉ gây ra pha-đinh phẳng với từng kênh con. ISI gây bởi pha-đinh đa đƣờng do đó hầu nhƣ rất nhỏ đổi với từng kênh con, còn ISI gây ra do trải trễ thì có thể đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ truyền thống nhƣ đã nêu ở mục trƣớc và OFDM có sự khác nhau rất cơ bản. Thứ nhất, đối với kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang không chồng phổ truyền thống, để triệt ICI cần tốn các khoảng băng bảo vệ GB giữa chúng. Trong kỹ thuật OFDM, do các sóng mang con trực giao nhau nên việc chồng lấn về phổ giữa các sóng mang con không gây nên ICI và nhờ sự chồng lấn về phổ của các kênh con, có thể tiết kiệm đƣợc gần 50% băng thông (hình 1.9) so với truyền đơn sóng mang. Thứ hai, trong khi việc điều chế các kênh con đối với các hệ thống đa sóng mang không chồng phổ truyền thống đòi hỏi N cặp máy thu-phát (Tx-Rx) rất tốn kém thì việc điều chế/giải điều chế đối với tín hiệu OFDM đƣợc thực hiện bằng cặp thuật toán biến đổi Fourier nhanh IFFT/FFT (Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform) khá tiết kiệm về chi phí thiết bị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) và OFDM (b)
b. Nguyên lý OFDM
Để bắt đầu việc phân tích nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống OFDM, trƣớc hết chúng ta sẽ xem xét khái niệm trực giao giữa các sóng mang con.
OFDM phân luồng bít đầu vào thành các khối có độ dài Nm bít, gọi là các symbol OFDM, gồm N symbol con m bit (có độ dài T). Khối Nm bít liên tiếp đầu vào này sẽ đƣợc chia thành N luồng song song (mỗi luồng gồm một symbol con m
bit), mà chúng rồi sẽ đƣợc truyền đi bằng cách điều chế N sóng mang con rời rạc. Gọi độ rộng của symbol OFDM đầu vào là Tu (Tu = NT), khi đó độ rộng của các symbol con trên từng sóng mang con sẽ tăng N lần so với độ rộng T của symbol m
bít ban đầu và dài bằng Tu. Gọi ck(t) là các sóng mang con trong một hệ thống OFDM, k = 0, 1, 2… N–1. Để máy thu có thể tách riêng các luồng con mà không bị ICI, các sóng mang con phải trực giao với nhau, nghĩa là chúngphải thỏa mãn:
( 1) * 0, ( ) ( ) 0, u u i T k l iT k l c t c t dt k l (1.10)
Giả sử sóng mang con thứ k có tần số là fk = kW/N = kΔf, với W là độ rộng băng tổng cộng của tín hiệu OFDM (trƣờng hợp đơn giản nhất thì W = N/Tu), còn
Δf = W/N = 1/Tu. Dễ dàng thấy rằng, khi chuẩn hóa Tu = 1 thì:
( 1) ( 1) ( 1) * 2 2 2 ( ) 0, ( ) ( ) 1, u u u u u u i T i T i T j k f j l f j k l f k l kl iT iT iT k l c t c t dt e e dt e dt k l (1.11)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.10 Dạng 4 sóng mang con trong một chu kỳ OFDM[3]
Có thể nhận xét rằng, trong từng chu kỳ symbol OFDM, Tu, mỗi một sóng
mang con có nguyên lần chu kỳ. Minh họa một chu kỳ symbol OFDM với với 4 sóng mang con chƣa điều chế đƣợc thể hiện trên hình 1.10.
Xét một xung chữ nhật có độ rộng Tu, phổ biên độ của xung này nhận đƣợc qua biến đổi Fourier có dạng hàm sinc nhƣ trên hình vẽ 1.11.
Hình 1.11 Dạng phổ một xung chữ nhật [3]
Tạm thời giả sử rằng từng sóng mang con đƣợc điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) với các xung cơ sở hình chữ nhật. Sắp xếp các sóng mang con đã đƣợc điều chế (các kênh con) trên trục tần số khi đó có thể thấy nhƣ trên hình 1.12.
Hình 1.12 Sắp xếp các kênh con trên trục tần số [10]
Tính trực giao có thể thấy trên miền tần số theo nghĩa tại các giá trị rời rạc fk
chỉ có phổ kênh con thứ k khác 0 còn phổ của các kênh con khác đều bằng không. Điều này có nghĩa là nếu lấy mẫu trên miền tần số tại các giá trị fk thì giữa các (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điều chế và giải điều chế OFDM
Nguyên lý điều chế và giải điều chế OFDM đƣợc Chang R. W. (thuộc Bell Labs) đề xuất lần đầu tiên vào năm 1966. Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế OFDM của Chang đƣợc vẽ trên hình 1.13 với số sóng mang con mang tin bây giờ đƣợc ký hiệu là Nc (Number of Carrier).