Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequyency Division multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ 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 k ỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 48 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép điều chế bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi.
Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM [4]. Ngày nay, kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình số mặt đất DVB-T, mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2… 2 1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trước tiên trong hệ thống Internet băng rộng ADSL. Sự nâng cao tốc độ đường truyền của hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEE E 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện tại trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM như VDC, VNPT.
Đặc biệt kỹ thuật OFDM hiện nay còn đề xuất làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE.16a và hệ thống thông tin di động 4G. Tại Việt Nam, hệ thống WiMax cũng đang được tiến hành thử nghiệm ở Lào Cai. Trong hệ thống di động 4G, các kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và đa anten thu nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập của mạng.3 Khái niệm OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một công nghệ điều chế sóng mang trực giao. OFDM có một khả năng vượt trội hơn về dung lượng so với các hệ thống CDMA và cung cấp các phương thức truy nhập không dây cho các hệ thống 4G.
OFDM là cách điều chế mà cho phép dữ liệu số được truyền qua một kênh radio với chất lượng và độ tin cậy cao, thậm chí khi truyền trong môi trường nhiều đường truyền. Hệ thống OFDM truyền dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng lớn 3 các sóng mang băng hẹp. Các sóng mang này chiếm các khoảng trống thứ tự tần số và tạo thành một khối phổ. Khoảng cách tần số và thời gian đồng bộ của các sóng mang này được chọn sao cho chúng trực giao với nhau, nghĩa là các sóng mang này không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù chúng được xếp chồng lên nhau ở miền tần số.
Trong thực tế dữ liệu số được gửi đi bằng cách dùng rất nhiều sóng mang mà mỗi sóng mang có một tần số khác nhau và các sóng mang này trực giao với nhau.1 Biểu diễn tín hiệu OFDM trực giao 1.4 Các ưu và nhược điểm Các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có những ưu điểm cơ bản sau: Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. Phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản sau 4 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phát và thu.
Cho đến nay một vài kỹ thuật khác nhau đưa ra để khắc phục nhược điểm này. Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giả m đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích. Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ [4].5 Các hướng phát triển trong tương lai Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEE.16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G). Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy nhập của mạng.
Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần được kiểm chứng. 5 Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu Trong thông tin vô tuyến, các đặc tính kênh vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng kênh truyền. Các yếu tố chính bao gồm: Suy hao: Khi khoảng cách truyền dẫn càng xa, suy hao tỷ lệ thuận với khoảng cách.
Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách. Che tối: Che tối là hiện tượng tín hiệu bị che khuất khi truyền từ trạm BTS đến MS. Pha đinh đa đườn g: Pha đinh đa đường làm thay đổi cường độ tín hiệu, là nguyên nhân gây ra nhiễu giao thoa liên ký tự ISI. Nhiễu: Trong thông tin vô tuyến nhiễu gây ra nhiều ảnh hưởng lớn, chẳng hạn như gây thu sai, méo tín hiệu …Ngoài ra chúng ta cũng phải kể đến các loại nhiễu nền, nhiễu nhiệt trong các hệ thống thu phát thông tin.
Pha đinh bao gồm: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinh phạm vi hẹp" [22]. Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Các kênh vô tuyến mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi trong quá trình truyền tín hiệu đối với các vị trí khác nhau.
Chẳng hạn trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau tại các vị trí khác nhau như biên độ. Đặc tính này gọi là tính chọn lọc không gian. Trong miền thời gian kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau, đặc tính này gọi là tính chọn lọc thời gian. Trong miền tần số kênh có đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau, được gọi là tính chọn lọc tần số.
6 Từ trên ta thấy tương ứng với mỗi đặc tính kênh truyền, ta có pha đinh chọn lọc không gian, pha đinh chọn lọc thời gian và pha đinh chọn lọc tần số [22,28].2 Miền không gian Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ theo quy luật hàm mũ [22].1) Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n< 2 cho các môi trường trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát. Từ lý thuyết và thực nghiệm cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm loga đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố loga chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách).
Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau [22]. ________ _________ d PL( d) [dB] = PL( d)+ Xσ = PL( d0 )+ 10 n lg + X σ PT(2.