Chương I: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.GIỚI THIỆU CHUNG OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật ghép kênh ra đời từ khá lâu, tương tự như kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), một băng thông lớn sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn. Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần số bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích do các dải bảo vệ này hoàn toàn không chứa đựng tin tức. OFDM ra đời đã giải quyết vấn đề này, bằng cách sử dụng tập tần số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chồng lấn lên nhau, do đó không cần dải bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiệm băng thông hơn hẳn FDM. Nhờ ghép kênh theo tần số trực giao và sử dụng khoảng bảo vệ thích hợp OFDM có khả năng truyền thông tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên sóng mang ICI và chống được fading chọn lọc tần số, chống lại nhiễu ISI và có khả năng cân bằng tín hiệu hiệu quả bằng các bộ Equalizer đơn giản.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.Chang 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. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đưa ra Guard Interval cho kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM. Kỹ thuật này phân chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp.
Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được. Phương pháp điều chế OFDM này được đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone). Phổ của tín hiệu DMT trên đường truyền giống hệt phổ của N tín hiệu điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu. Trong đó mỗi sóng mang được điều chế QAM với một số phức.
Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f như của hệ thống OFDM ban đầu. Tuy nhiên biến đổi IFFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu.
Biến đổi IFFT cho khối 2N số HVTH: Trương Thái Trọng Khanh 3 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ThS Nguyễn Đức Quang phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện cho mỗi khối, chúng tương đương với N số phức. Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog 2N phép nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thường. Hiệu quả của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này không phải là bắt buộc.
Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng mang tương đương có sử dụng bộ cân bằng. Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi mà OFDM thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình. Đó là khả năng chống lại ảnh hưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha đinh lựa chọn tần số SF (selective fading). Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến.
Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng.
Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE. Phương pháp điều chế đơn sóng mang. Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B với tần số 1 f SC = = 2B (1.1) TSC gọi là tần số Nyquist TSC : độ dài một mẫu tín hiệu (s) B : độ rộng băng tần (Hz) HVTH: Trương Thái Trọng Khanh 4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ThS Nguyễn Đức Quang Mật độ phổ năng lượng f0 Tần số B Hình 1.
Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số, tốc độ lấy mẫu sẽ rất lớn, do đó chu kì lấy mẫu TSC sẽ rất nhỏ. Do vậy phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau : • Ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu là rất lớn, do tỉ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu là rất lớn.2) TSC max : trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Do độ dài một mẫu tín hiệu là rất nhỏ nên tỉ số RSC lớn, vì vậy trễ truyền dẫn có thể gây nên ISI ở các mẫu tín hiệu thu. • Sự phụ thuộc của kênh theo tần số ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống • Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu khá phức tạp Phương pháp điều chế dơn sóng mang hiện nay chủ yếu sử dụng trong các hệ thống thông tin băng hẹp. Trong các hệ thống thông tin băng rộng người ta sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang để cải thiện các nhược điểm trên.
HVTH: Trương Thái Trọng Khanh 5 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ThS Nguyễn Đức Quang 1. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM. 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. fS Mật độ phổ năng lượng f −L f0 f +L Tần số B Hình 1.
Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang Đây chính là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phỏ tín hiệu của hệ thống được chia thành N C = 2 L + 1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là : B fS = (1.3) NC Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N C lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang.4) fS Do đó tỉ số tương đối giữa trễ đường truyền và độ dài mẫu tín hiệu cũng giảm đi N C lần max RMC = = RSC / N C (1.5) TMC HVTH: Trương Thái Trọng Khanh 6 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ThS Nguyễn Đức Quang Điều đó làm nhiễu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống cũng ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử dụng cùng một kênh như sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin được truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con.
Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các symbol inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trước khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp. Các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với điều chế đơn sóng mang là : • Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể • Ảnh hưởng hiệu ứng chọn tần số của kênh giảm do kênh được chia ra nhiều kênh phụ • Độ phức tạp của bộ cân bằng và lọc nhiễu cho hệ thống giảm Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm căn bản là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng nên hệ thống nhạy cảm với sự biến đổi thời gian của kênh. Mặt khác phương pháp này cũng không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được phân cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này lại làm giảm hiệu quả sử dụng phổ.
Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM. Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ là trực giao với các sóng mang còn lại. Nhờ sự trực giao này phổ tín hiệu HVTH: Trương Thái Trọng Khanh 7 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ThS Nguyễn Đức Quang 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 Mật độ phổ năng lượng f −L f0 f +L Tần số B Hình 1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang OFDM Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận. Điều này làm nguyên lý trực giao được thỏa mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau.
