Mở đầu Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Để phục vụ cho “sau 3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng của IMT-2000. Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng chuyển động chậm. Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin.
Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên. Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth…. đồng thời hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao. Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới.
Trong số các phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT. OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba và thứ tư. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật điều chế đa sóng mang là chia luồng bít cần truyền thành nhiều luồng bít nhỏ để truyền trên nhiều kênh truyền con khác nhau. Tốc độ dữ liệu trên các kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ dữ liệu tổng, điều này giúp tránh nhiễu xuyên giữa các ký tự (ISI).
Băng thông của các kênh con nhỏ nên đáp ứng của kênh truyền có thể coi như không phụ thuộc tần số và làm giảm độ phức tạp phần khôi phục và cân bằng kênh truyền. OFDM, một phương hướng mở rộng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau. Bên cạnh những ưu điểm ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 ============================================================== được kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều. Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia thành nhiều băng tần con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau.1 minh hoạ nguyên lý của phương pháp này [3].
Mật độ phổ fs năng lượng f-L f0 f+L Tần số B Hình 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: B fs (1.1) 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: ( MC ) 1 ( SC ) Ts Ts 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. max RSC RMC (1.3) TMC N Do vậy nhiễu liên tín 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 phâ tập đa đường.
============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 ============================================================== 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. Phƣơng pháp 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. Mật độ phổ fs năng lượng f-L f0 f+L Tần số B Hình 1. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM Hình 1. minh hoạ nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hàm sin(x)/x.
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 các kênh con còn lại. Điều này làm nguyên lý trực giao thoã mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chống lấn lên nhau.3 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần của hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với hệ thống FDM truyền thống [4]. ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM Phổ tín hiệu tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 1.
Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang con ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT [3] ai,L dk,L Xung cơ sở Bộ Điều e jLS t Chèn biến d chế ở k,n Xung cơ sở khoả {al} đổi ai,n băng m’(t) ng m(t) nối tần cơ e jnS t bảo tiếp/ sở vệ song song ai,-L dk,-L Xung cơ sở e jLS t Hình 1. Bộ điều chế OFDM Xét bộ điều chế tín hiệu OFDM như hình 1. Giã thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành NC kênh con với chỉ số của các kênh con là n.
N {-L, -L+1, …, -1, 0, 1, …, L-1, L} Do vậy: NFFT = 2L+1 (1.4) Đầu vào của bộ điều chế là dòng dữ liệu {al}được chia thành NFFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ biến đổi nối tiếp/ song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n}lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {dk,n}, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với NC bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song saong, k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với NC mẫu tín hiệu phức. Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, … Các mẫu tín hiệu {dk,n} lại được nhân với xung cơ sở g(t) với mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang. Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông.
Sau khi nhân với xung cơ sở, tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức e jLS t. Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau, tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại thông qua bộ tổng và thu được tín hiệu như sau: L m' k (t ) d k , n s ' (t kT )e jn S t (1.5) n L Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k. Tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là: ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6) k k n L Ở đây tín hiệu m’(t) là tín hiệu m’k(t) với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô cùng. Tín hiệu m’k(t) khi được chuyển sang tín hiệu số với tần số lẫy mẫu: 1 1 T f S (1.7) B N FFT f S N FFT Trong đó B là toàn bộ độ rộng băng tần của hệ thống.
Ở thời điểm lấy mẫu t=kT+lf, S’(t-kT) = S0, do vậy phương trình (1.5) được viết lại như sau: L L m' k (kTS lf ) S 0 d k , n e jn S ( kTS lf ) S 0 d k , n e jn S kTS e jn S lf (1.8) n L n L 1 Do S kTS 2f S k 2k , kết quả là e jnS kTS =1, tương tự như vậy có thể triển fS l nl jn 2f S j 2 jn S lf khai e e f S N FF T e N FF T , phương trình (1.8) được viết lại như sau: nl L j 2 m' k (kTS lf ) S 0 d k , n e N FFT (1.9) n L Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở phương trình (1.9) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Trong trường hợp NFFT là bội số của 2 thì phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT được thể hiện như hình 1.
ai,L dk,L Bộ Bộ biến biến Chèn Bộ đổi ai,n Mã đổi m’(lf) khoả m(lf) biến m(t) {al} dk,n nối hoá IFFT song ng đổi số tiếp/ song/ bảo tương song nối vệ tự song ai,-L dk,-L tiếp Hình 1. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 1.