Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM 1.1 Giới thiệu OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MC) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần rời rạc. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R. Chang [4] năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con.
Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này giúp ta sử dụng dải thông một cách có hiệu quả hơn. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.2 Điều chế đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau.1 minh họa cho nguyên lý của phương pháp này [2].1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm N kênh con với bề rộng phổ của mỗi kênh con là: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1) N Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang: 1 TSMC TSSC N (1.2) fS Kết quả này dẫn tới tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang.
τ max R SC R MC (1.3) T MC N Do vậy, nhiễu liên ký hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh con được phân cách nhau bởi một khoảng bảo vệ nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần. Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã ra đời.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 FDM thông thường và OFDM 1.3 Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM OFDM là một trường hợp đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, trong đó các sóng mang con được lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau. Nhờ sự trực giao này mà phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau, điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn hệ thống tăng lên rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.3 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lượng thông tin.
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao. Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại ký hiệu. Như vậy, trong thời gian tồn tại ký hiệu, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Như vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau.
Hình sau sẽ cho thấy cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.4 Cấu trúc trong miền thời gian (a) và trong miền tần số (b) của một tín hiệu OFDM Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần, với số chu kỳ tương ứng là 1, 2, 3, và 4. Pha ban đầu các sóng mang con này đều bằng 0. Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tương ứng là FFT của các sóng mang con trong miền thời gian.
Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóng mang con và kết quả FFT của nó là 4 vạch phổ. Về mặt toán học, hai sóng mang con si và sj trong một nhóm N sóng mang con gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn : T C i j 0 i j s (t ) s (t ) dt 0 i j i, j = 1,… N (1.4) Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một ký hiệu của hai sóng mang con khác nhau thì bằng 0. Điều này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng : sin( 2πkf 0 t ) 0tT k 1, 2,.5) 0 t khác Trong đó: f0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con.
N số sóng mang con trong một ký hiệu. T thời gian tồn tại của ký hiệu. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Nf0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi được biểu diễn bởi một dạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là tín hiệu băng cơ sở dạng t Π . Chẳng hạn các tín hiệu này mang bởi các sóng mang trực giao, sẽ chồng τ chất lên nhau, tạo thành một ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
Phổ của một ký hiệu OFDM băng gốc là các giải tần, trung tâm là các tần số sóng mang trực giao, cách nhau một khoảng cách thích hợp (hình 1. Phổ này có được bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian. Về mặt lý thuyết, để đạt được giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (- ), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm. Không một hệ thống kỹ thuật nào có thể làm được điều này.
Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạng sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức. Phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó được gọi là phép biến đổi Fourier ngược (IFT).5 Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 5 kênh con Trong đó: (a) là phổ của từng sóng mang con, (b) là phổ tín hiệu tổng hợp của 5 sóng mang con. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Hình 1.6 Sơ đồ khối thu phát OFDM Theo sơ đồ này, tín hiệu OFDM hoàn toàn được tạo ra trong miền số.
Tại khối phát, dữ liệu số sau khi biến đổi nối tiếp song song được ánh xạ vào các điểm trong chòm sao nhờ điều chế được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier ngược để tạo ký hiệu OFDM cơ sở theo hai nhánh I/Q. Sau đó, ký hiệu OFDM cơ sở được chèn khoảng bảo vệ rồi được chuyển lên bộ khuếch đại điều chế cao tần phát ra không gian. Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) cho bước này. IFFT là một dạng biến đổi ngược Fourier rời rạc (IDFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế.
Khối thu thực hiện quá trình ngược lại khối phát. Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý. Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con được nhận biết và được chuyển thành dữ liệu số cần thu.1 Khối chuyển đổi nối tiếp - song song Phía phát, luồng dữ liệu cần truyền đi là dòng bit nối tiếp với tốc độ cao sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con song song với nhau, tốc độ truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bit tổng, phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng.
Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của hệ điều chế OFDM. Chính điều này đã tạo nên hiệu suất chống ISI rất tốt cho hệ thống. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Khối ánh xạ tín hiệu Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM. Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang SSB thông thường trên các nhánh dữ liệu con.
Khi đó các nhóm n bit (2n=M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký hiệu M- QAM. Thực chất của quá trình này là ánh xạ cụm n bit dữ liệu đầu vào thành một số phức trên giản đồ chòm sao M-QAM. Như vậy, mỗi ký hiệu M-QAM sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biễu diễn bằng các vectơ phức I-Q. Tại nơi thu, vectơ I-Q được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu, quá trình đó gọi là giải điều chế OFDM.
Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và do đặc trưng của kênh truyền không hoàn hảo, khi đó trên mặt phẳng I-Q các điểm chòm sao sẽ bị nhòe đi. Bộ thu khi đó phải ước lượng gần đúng nhất vectơ truyền đi.