3.3.1.1. Giới thiệu chung
Nguyên lý OFDM ra đời nhằm chống lại phản xạ nhiều đường. Khi một tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trên kênh VHF, UHF hoặc viba, ngoài tín hiệu trực tiếp còn có một hoặc vài tín hiệu phản xạ. Ví dụ: nếu đường đi của các tín hiệu phản xạ khác với tín hiệu trực tiếp 300m, thì tín hiệu phản xạ sẽ đến đầu thu chậm hơn tín hiệu trực tiếp 1µs. Trường hợp độ trễ này tương đối lớn so với chu kỳ một symbol, tín hiệu phản xạ sẽ gây can nhiễu nghiêm trọng.
Giả thiết bằng cách nào đó giảm được tốc độ symbol, can nhiễu do tín hiệu phản xạ sẽ chỉ xảy ra trong một thời gian ngắn đầu mỗi chu kỳ. Điều này cho phép tái tạo lại dữ liệu, không cần sữ giúp đỡ của các mạch sửa cân bằng như vẫn được sử dụng xưa nay. Ý tưởng này đã tạo nền móng cho kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
Nguyên tắc điều chế OFDM dựa trên một số lượng lớn các sóng mang con trực giao với nhau. Tốc độ truyền symbol trên mỗi sóng mang con thấp hơn nhiều lần so với tốc độ symbol nếu hệ thống chỉ sử dụng một sóng mang duy nhất. Có thể coi OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang FDM trong đó các sóng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang này cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường (Hình 3.2 so sánh hiệu quả sử dụng phổ giữa FDM và OFDM).
Hình 3.2. So sánh hiệu quả sử dụng phổ giữa FDM và OFDM
Tuy nhiên ưu điểm lớn nhất của OFDM là dòng dữ liệu cần truyền tải được phân phối cho rất nhiều sóng mang riêng biệt. Mỗi sóng mang được xử lý tại một thời điểm thích hợp và được gọi là một "OFDM symbol". Do số lượng sóng mang lớn, mỗi sóng mang lại chỉ truyền tải một phần của dòng bit nên chu kỳ của một symbol khá lớn so với chu kỳ một bit thông tin (thực tế chu kỳ của một symbol có thể lên tới 1ms). Điều này mở ra khả năng chống nhiễu phản xạ đa đường cho hệ thống OFDM. Cụ thể là máy thu không chỉ giải mã các symbol được truyền một cách riêng lẻ mà còn thu thập các sóng phản xạ từ mọi hướng với độ trễ tương đối nhỏ so với chu kỳ một symbol. Khả năng năng biến sóng phản xạ từ dạng tín hiệu không mong muốn thành thông tin có ích một mặt giải quyết triệt để hiệu ứng bóng hình gây ra do nhiễu phản xạ đa đường (điều mà hệ thống truyền hình tương tự không thể giải quyết được), mặt khác nó còn cho phép tạo ra mạng phủ sóng địa phương hoặc quốc gia trên một tần số - mạng đơn tần SFN.
3.3.1.2. Đặc tính trực giao
Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đăc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng.
Hình 3.3 minh họa một cách đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một sóng mang có dạng tín hiệu sin(x)/x. Các sóng mang này được sắp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho tại tần số trung tâm của sóng mang con này thì các sóng mang con khác bằng 0. Điều này làm nguyên lý trực giao được thỏa mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu.
Hình 3.3. Phổ tín hiệu của một sóng mang đơn lẻ (a) và của phổ tín hiệu OFDM với 5 sóng mang (b)
Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn:
= = Ψ Ψ ∫ t t Kotherwiseif p q b a q p( ) ( ) 0 *
Error: Reference source not found Trong đó: Ψp(t); Ψp(t): hai sóng mang con trực giao
*: ký hiệu liên hợp phức;
b
a÷ : khoảng thời gian ứng với chu kỳ của 1 symbol.
Theo đó tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2 sóng mang khác nhau thì bằng 0. Điều này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang không gây nhiễu lên nhau. Trong thực tế, khoảng cách tần số trực giao được lựa chọn ứng với
nghịch đảo của chu kỳ một symbol có ích:
S
T
f = 1
∆ ⊥ (TS =b−a).
3.3.1.3. Sử dụng DFT/FFT
Trong thực tế, để tạo sự trực giao giữa các sóng mang người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này, FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế. Trên miền tần số sóng mang này có dạng sin(x)/x với một búp chính và các búp phụ có giá trị giảm dần về hai phía tần số trung tâm của sóng mang. Mỗi sóng mang có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số của hai sóng mang. Tính trực giao thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của mỗi sóng mang bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang khác bằng 0 (Hình 3.2 (b)). Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền thời gian bằng phép biến đổi ngược IFFT (IDFFT) để truyền đi. Lúc này đã tạo được một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miên thời gian. Tín hiệu OFDM được tạo ra sau giai đoạn IFFT nằm ở tần số cơ sở, tiếp theo nó sẽ được nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền dẫn. Bước này có thể áp dụng kỹ thuật điều chế tương tự hoặc kỹ thuật điều chế số. Tại máy thu, để tách các thành phần tần số trực giao người ta lại thực hiện quá trình biến đổi ngược lại bằng phép biến đổi FFT. Như vậy việc ứng dụng FFT đã loại bỏ được những rắc rối của việc sử dụng nhiều bộ lọc tương dải hẹp tại máy thu trong phương pháp ghép kênh theo tần số cổ điển.