Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM
Hình 2-4 Sơ đồ khối thu phát OFDM
Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn đợc tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tơng tự. Tại
khối phát, dữ liệu số sau khi đợc điều chế vào các sóng mang đợc đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong thực tế ngời ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bớc này. FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên
đợc dùng trong các hệ thống thực tế. Sau khi đã tạo đợc sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại đợc chuyển về miền thời gian bằng IFFT
để truyền đi. Lúc này ta đã tạo đợc một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian. Lu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần đợc chuyển lên tới tần số đợc lựa chọn để truyền đi.
Khối thu thực hiện quá trình ngợc lại khối phát. Tín hiệu OFDM thu từ anten đợc chuyển về băng tần cơ sở để xử lý. Tín hiệu này sau đó đợc qua FFT
để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con
đợc nhận diện và đợc chuyển thành dữ liệu số cần thu.
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)
Dữ liệu số thờng ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp. Trong hệ thống OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 – 4000 bits, do đó bớc chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol. Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóng mang con. Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM, nh vậy mỗi sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bit thông tin trên một symbol sẽ là 4ì100 = 400 (bits). Chú ý rằng nếu ta dùng phơng thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau. Tại phía thu quá trình ngợc lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ đợc thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối tiếp nh ban đầu.
Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị
phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu nh cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn
đề sẽ chẳng đáng ngại. Nhng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thờng khá lớn, trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thờng rất tốn kém. Một ý tởng đơn giản và dễ thực hiện
để giải quyết vấn đề này đó là: nếu nh các cụm bit lỗi này gồm các bit không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và nh vậy ta đã tránh đợc các cụm bit lỗi lớn. Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, ngời ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) nh là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp song song. Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thông tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng
đúng thứ tự ở phía thu.
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ
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 khụng rừ nột, do đú cú thể gõy lỗi nhận diện từ mó. Do đú 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 = 18dB.
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)