CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm OFDM
OFDM, viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu Kỹ thuật này phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh sở hữu một sóng mang độc lập Các sóng mang trong OFDM trực giao với nhau, đảm bảo giảm nhiễu và tăng khả năng chống b\u1ed9i nhiễu tín hiệu Nhờ đó, OFDM là một phương pháp truyền dữ liệu hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông như Wi-Fi, 4G, 5G.
Trong hệ thống truyền thông, phổ của mỗi sóng mang đều có tín hiệu bằng "0" tại tần số trung tâm của các sóng mang khác, giúp giảm thiểu nhiễu chéo giữa các sóng mang phụ Điều này đảm bảo tín hiệu truyền tải rõ ràng, ổn định hơn và tăng khả năng chống nhiễu trong hệ thống Việc này là một yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng của hệ thống truyền dữ liệu.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) quan trọng trong truyền thông vô tuyến, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu qua các tần số khác nhau Trong các hệ thống thông tin hữu tuyến, các kỹ thuật này thường được gọi là đa tần (DMT), dùng để nâng cao hiệu quả truyền dẫn và giảm nhiễu loạn.
Hệ thống đa sóng mang là công nghệ truyền dữ liệu bằng cách điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau nhằm tăng dung lượng và độ tin cậy của hệ thống Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất truyền thông bằng cách sử dụng nhiều tín hiệu sóng mang song song Trong các hệ thống truyền dẫn hiện đại, đa sóng mang đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu nhiễu, mang lại trải nghiệm kết nối tốt hơn cho người dùng.
Hệ thống đa sóng mang phân chia một tín hiệu thành nhiều tín hiệu nhỏ hơn Mỗi tín hiệu mới này sau đó được điều chế và truyền trên các sóng mang riêng biệt qua các kênh tần số khác nhau Các kênh tần số này sau đó được ghép lại với nhau theo phương pháp FDM (Phân chia tần số).
Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số, sắp xếp chúng trong các băng tần riêng biệt liên tiếp nhau Mỗi kênh được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn, và các tín hiệu này cùng tồn tại đồng thời trong không gian và thời gian Để tránh nhiễu kênh do tín hiệu của các kênh lân cận chồng chéo lên nhau, cần có các khoảng trống hoặc băng bảo vệ xen giữa các kênh Tuy nhiên, phương pháp này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ, do các băng tần bảo vệ gây lãng phí diện tích phổ.
Hình 1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số f 1 f 2 f n f
Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang: a) không chồng xung và b) chồng xung
Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung có sự khác biệt rõ rệt, như minh họa trong Hình 1.3 Sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung giúp tiết kiệm khoảng 50% băng thông so với phương pháp không chồng xung Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, cần giảm triệt để xuyên nhiễu giữa các sóng mang, yêu cầu các sóng này phải trực giao với nhau nhằm tránh nhiễu chéo và nâng cao chất lượng truyền tải.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn, sau đó phát mỗi luồng trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này η trực giao, nhờ vào việc chọn độ giãn tần số hợp lý, giúp giảm nhiễu do trải trễ đa đường Thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song giúp hạn chế nhiễu xuyên ký tự ISI Đồng thời, việc thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký tự OFDM và mở rộng các ký tự theo chu kỳ giúp tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang, tăng cường khả năng chống nhiễu của hệ thống OFDM.
Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Các tín hiệu là trực giao nhau khi chúng độc lập tuyến tính với nhau, giúp truyền nhiều thông tin cùng lúc trên cùng một kênh một cách hiệu quả Trực giao là đặc tính quan trọng để các tín hiệu đa thông tin được truyền đi một cách hoàn hảo mà không gây nhiễu xuyên kênh Khi mất tính trực giao giữa các sóng mang, các tín hiệu sẽ bị chồng lấp, gây giảm chất lượng tín hiệu và làm khó khăn cho quá trình khôi phục thông tin tại đầu thu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng vẫn có thể nhận diện rõ ràng mà không gây nhiễu xuyên nhau nhờ tính trực giao giữa các sóng mang con Tập các sóng mang con, ký hiệu là fₙ(t), n=0, 1, , N-1, trong khoảng thời gian t₁ đến t₂, sẽ đạt tính trực giao khi các tích phân của chúng bằng không theo điều kiện cụ thể, đảm bảo khả năng khôi phục tín hiệu chính xác mà không bị nhiễu chéo.
K, víi n m , (1.1) trong đó K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m
Tập các sóng mang con được truyền: f t n ( ) exp 2 j f t n , (1.2) f n f 0 nf f 0 n/T; (1.3) f 0 là tần số offset ban đầu
Ta có thể chứng minh tính trực giao của các sóng mang con như sau:
Xét biểu thức (1.1) ta có:
Trong hệ thống OFDM, sóng mang con trực giao nhau khi biểu thức (1.1) xảy ra, đảm bảo tính trực giao trong miền tần số Cụ thể, nếu các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng T, thì chúng vẫn duy trì tính trực giao trong khoảng thời gian t2 − t1 là bội số của T Khi n = m, tích phân trên bằng T/2, không phụ thuộc vào n hoặc m, điều này chứng tỏ các sóng mang con không biên đổi lẫn nhau Do đó, OFDM phân phối các tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau nhằm đạt được tính trực giao và tối ưu hóa phân phối dữ liệu trong hệ thống truyền thông.
Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, trong đó tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời gian ký tự, đảm bảo rằng tất cả các sóng mang con có số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự Điều này phù hợp với tính chất trực giao đã được chứng minh trước đó, thể hiện rằng các sóng mang con có thể tồn tại đồng thời mà không gây nhiễu lẫn nhau Để minh họa tính trực giao của các sóng mang con, ta có thể xem xét cấu trúc của tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang con, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T, giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn dữ liệu.
Hình 1.4 trình bày tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang con liên tiếp nhau, mỗi sóng mang cách nhau đúng một chu kỳ Tính chất này tạo nên tính trực giao giữa các sóng mang, giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dữ liệu trong hệ thống OFDM Nhờ đó, tín hiệu có khả năng chống nhiễu tốt hơn và sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn, phù hợp với các kỹ thuật truyền thông hiện đại.
Ta cũng có thể xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM bằng cách quan sát phổ tín hiệu
Hình 1.5 trình bày phổ của tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con, trong đó mỗi sóng mang có đáp ứng tần số dạng sincx hoặc sin(x)/x Hình dạng của hàm sincx thể hiện một búp chính hẹp và nhiều búp phụ mở rộng với biên độ suy giảm chậm theo các tần số xa trung tâm, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Mỗi sóng mang con có một đỉnh tại tần số trung tâm, còn tại các tần số là bội số của 1/T, đáp ứng bằng không, đảm bảo tính phân rã và chống nhiễu hiệu quả trong hệ thống OFDM.
1.3 Sử dụng biến đổi IFFT tạo sóng mang con Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số sóng mang con) phải lớn Việc đơn giản hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT và FFT Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase - Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời ký tự và f c là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=t s có thể được viết như sau:
(1.5) Để dễ dàng trong việc tính toán ta có thể biểu diễn như sau:
Hình 1.5 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con
Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo của tín hiệu OFDM tương ứng với thành phần cùng pha và lệch pha một góc 90 độ của tín hiệu OFDM Những phần này được nhân với hàm cos và sin của tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp thành tín hiệu OFDM cuối cùng Điều này đảm bảo tín hiệu OFDM có cấu trúc phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Khi tín hiệu OFDM s(t) được truyền đến phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hợp phức của các sóng mang con Nếu liên hợp phức của sóng mang con thứ j được nhân với s(t), ta thu được ký tự QAM d_j + N/2, nhân hệ số T Các sóng mang con khác không ảnh hưởng do sự sai biệt tần số (i - j)/T tạo ra nhiều chu kỳ nguyên trong thời gian ký tự T, dẫn đến tích nhân bằng không Quá trình điều chế OFDM được mô phỏng trong Hình 1.6.
Tín hiệu OFDM được mô tả trong (1.7) thực chất là sự biến đổi Fourier ngược của N ký tự QAM đầu vào, giúp tối ưu hóa việc truyền dữ liệu qua hệ thống truyền thông Lượng thời gian rời rạc trong OFDM chính là biến đổi Fourier ngược rời rạc, với công thức thể hiện rõ ở (1.8), trong đó thời gian t được thay thế bằng số mẫu n để phù hợp với tín hiệu số.
Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM
Biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) giúp thực hiện biến đổi Fourier ngược rời rạc nhanh hơn so với IDFT truyền thống, bằng cách sử dụng thuật toán FFT tối ưu Trong khi đó, biến đổi Fourier nhanh (FFT) cũng thay thế DFT nhằm giảm thiểu số phép tính phức tạp, nâng cao hiệu suất xử lý tín hiệu Một biến đổi IDFT N điểm yêu cầu thực hiện khoảng N² phép nhân phức, chủ yếu là phép quay pha, cùng với các phép cộng, nhưng phần cứng thực hiện phép nhân phức tạp hơn Ngược lại, thuật toán IFFT sử dụng cơ số 2 chỉ cần (N/2) log₂(N) phép nhân phức, hoặc (3/8) log₂(N-2) phép khi sử dụng thuật toán cơ số 4, giúp giảm đáng kể thời gian xử lý Hiệu quả của FFT và IFFT đến từ khả năng phân tích biến đổi IDFT thành nhiều phần nhỏ hơn, cho đến khi còn là IDFT một điểm, tối ưu hóa quá trình tính toán trong xử lý tín hiệu số.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp được chuyển thành dạng song song, dữ liệu được đưa vào bộ biến đổi IFFT để chuyển đổi từ phổ trong miền tần số sang tín hiệu trong miền thời gian, giúp đưa tín hiệu lên tần số cao để truyền đi Ở phía nhận, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu thập, biến đổi ngược sang miền tần số bằng bộ biến đổi FFT, sau đó dữ liệu được chuyển đến các bộ giải điều chế để xử lý Quá trình này đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả trong hệ thống truyền thông OFDM, tối ưu hóa khả năng chống nhiễu và giảm thiểu nhiễu xuyên kênh.
Điều chế QPSK: là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
(1.9) với pha ban đầu ta cho bằng 0: ( ) (2 1) t i 4
, (1.10) trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”,
T = 2.T b (T b là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự);
E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Vậy, bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ:
Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu được cho ở bảng 1.1:
Hình 1.7 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK
Điểm bản tin (10) Điểm bản tin (01) Điểm bản tin (11)
Biên giới quyết định bit
Bảng 1.1 Thông số điều chế của QPSK
Điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là quá trình điều chế sóng mang bằng cách kết hợp điều chế biên độ và pha cùng lúc, cho phép truyền tải nhiều dữ liệu hơn trên cùng một b bandwidth Khác với hệ thống điều chế PSK, trong đó các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp để tạo thành tín hiệu ổn định, điều biên cầu phương QAM cho phép các thành phần này hoạt động độc lập, tạo ra một sơ đồ điều chế mới linh hoạt hơn Nhờ đó, điều chế QAM có lợi thế chính là tăng dung lượng đường truyền dẫn số, nâng cao hiệu quả sử dụng b bandwidth trong các hệ thống truyền dẫn dữ liệu hiện đại.
Dạng tổng quát của điều chế QAM m mức (m - QAM) được xác định như sau:
, (1.16) trong đó: E 0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất; a i , b i : là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin
Cặp bit vào Pha của tín hiệu
QPSK Điểm tín hiệu S i Toạ độ các điểm bản tin Φ 1 Φ 2
Hình 1.8 Chùm tín hiệu m-QAM
Chèn pilot Ước lượng kênh
Loại bỏ dải bảo vệ
Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:
1.5 Hệ thống OFDM băng gốc
Hệ thống OFDM băng gốc gồm hai phần chính là phía phát và phía thu, mỗi phần đảm nhận các chức năng riêng biệt để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu hiệu quả Dòng dữ liệu tốc độ cao ban đầu được chia thành nhiều dòng song song (S/P), sau đó được mã hoá và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải qua kênh Các ký tự hỗn hợp này được đưa vào khối IFFT để tính toán các mẫu thời gian phù hợp với các kênh nhánh trong miền tần số, đồng thời, khoảng bảo vệ được chèn vào nhằm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI Trước khi truyền đi, tín hiệu được định dạng thành dạng tín hiệu thời gian liên tục qua bộ lọc phía phát, sau đó chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể bị tác động bởi các nguồn nhiễu như nhiễu Gaussian trắng cộng thêm tiếng ồn AWGN Ở phía thu, tín hiệu được chuyển về tần số thấp, các mẫu thời gian rời rạc được thu nhận và khoảng bảo vệ được loại bỏ, sau đó tiến hành chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Các ký tự hỗn hợp sau đó được sắp xếp ngược lại, giải mã để khôi phục dòng dữ liệu ban đầu, hoàn thành quá trình truyền nhận dữ liệu hiệu quả của hệ thống OFDM.
Xét 2 loại nhiễu chính trong hệ thống OFDM là ISI và ICI
ISI (Intersymbol Interference) là nhiễu liên ký hiệu xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó ký hiệu đến sau gây ảnh hưởng đến ký hiệu trước đó, làm khó khăn cho các hệ thống truyền dẫn Trong các hệ thống đơn sóng mang, việc tăng tốc độ truyền dữ liệu bằng cách giảm khoảng thời gian ký hiệu thường dẫn đến ảnh hưởng lớn hơn của ISI do độ rộng băng tần tỷ lệ nghịch với thời gian ký hiệu Thêm vào đó, việc nâng cao độ chính xác trong việc loại bỏ ISI bằng các khoảng bảo vệ là rất khó khăn do hệ thống rất nhạy cảm với trễ tín hiệu Một phương án được đưa ra là tạo các đường truyền thẳng bằng cách đặt anten thu phát trên cao để lấy tín hiệu truyền đi, tuy nhiên, cách này cũng không phải là giải pháp tối ưu và hiệu quả.
Điều chế trong OFDM
Điều chế QPSK: là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
(1.9) với pha ban đầu ta cho bằng 0: ( ) (2 1) t i 4
, (1.10) trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”,
T = 2.T b (T b là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự);
E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Vậy, bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ:
Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong không gian tín hiệu được cho ở bảng 1.1:
Hình 1.7 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK
Điểm bản tin (10) Điểm bản tin (01) Điểm bản tin (11)
Biên giới quyết định bit
Bảng 1.1 Thông số điều chế của QPSK
Điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là phương pháp điều chế trong đó sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha, giúp tăng dung lượng truyền số Khác với hệ thống điều chế PSK, trong QAM các thành phần đồng pha và vuông pha có thể hoạt động độc lập, tạo thành tín hiệu đường bao không đổi hoặc thay đổi linh hoạt Nhờ đặc điểm này, điều chế QAM mang lại lợi ích lớn về khả năng mở rộng dung lượng truyền dữ liệu của hệ thống truyền thông số hiện đại.
Dạng tổng quát của điều chế QAM m mức (m - QAM) được xác định như sau:
, (1.16) trong đó: E 0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất; a i , b i : là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin
Cặp bit vào Pha của tín hiệu
QPSK Điểm tín hiệu S i Toạ độ các điểm bản tin Φ 1 Φ 2
Hình 1.8 Chùm tín hiệu m-QAM
Chèn pilot Ước lượng kênh
Loại bỏ dải bảo vệ
Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:
Hệ thống OFDM băng gốc
Hệ thống OFDM băng gốc gồm hai phần chính là phía phát và phía thu, mỗi phần đảm nhiệm các chức năng riêng biệt Dữ liệu đầu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song, sau đó mã hóa và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp trước khi đưa vào khối IFFT để tính toán các mẫu thời gian tương ứng trong miền tần số Quá trình chèn khoảng bảo vệ giúp giảm nhiễu xuyên ký tự ISI, sau đó, bộ lọc phía phát chuyển đổi tín hiệu sang tần số cao để truyền trên các kênh truyền dẫn, thường xuyên chịu ảnh hưởng của nhiễu Gaussian trắng và các loại nhiễu khác Tại phía thu, tín hiệu được chuyển về tần số thấp, loại bỏ khoảng bảo vệ, thực hiện biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số, rồi sắp xếp lại và giải mã các ký tự hỗn hợp thu được, cuối cùng khôi phục dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu, đảm bảo hiệu quả truyền dẫn trong hệ thống OFDM.
Xét 2 loại nhiễu chính trong hệ thống OFDM là ISI và ICI
ISI, viết tắt của Intersymbol Interference (nhiễu liên ký hiệu), xảy ra do hiệu ứng đa đường trong các hệ thống truyền dẫn, khiến các ký hiệu đến sau gây ảnh hưởng đến các ký hiệu trước đó Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề nan giải vì độ rộng băng tần tỷ lệ nghịch với khoảng thời gian ký hiệu, dẫn đến việc tăng tốc độ truyền dữ liệu làm tăng mức trễ tương đối, làm hệ thống trở nên rất nhạy cảm với trễ Thêm khoảng bảo vệ để giảm thiểu ISI thường không triệt tiêu được hoàn toàn vấn đề này Một phương án giải quyết được đề xuất là tạo các đường truyền thẳng bằng cách đặt các anten thu phát trên cao để lấy tín hiệu, nhưng cách này cũng không phải là hiệu quả tối ưu.
Với một băng thông cố định, tốc độ ký tự của phương thức OFDM thấp hơn nhiều so với truyền dẫn đơn sóng mang Cụ thể, trong điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn, trong khi hệ thống OFDM chia nhỏ băng thông thành N sóng mang con, khiến tốc độ ký tự giảm xuống còn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ ký tự thấp này ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng truyền tải dữ liệu của hệ thống.
Hệ thống OFDM có khả năng chống lại nhiễu ISI do truyền đa đường gây ra, là một lý do quan trọng để lựa chọn công nghệ này Để giảm thiểu tác động của ISI lên tín hiệu OFDM, ta có thể thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ tại đầu mỗi ký tự, bằng cách sao chép lặp lại dạng sóng để tăng chiều dài của ký tự Khoảng thời gian bảo vệ này cần phải lớn hơn độ trễ trễ ước lượng của kênh, đảm bảo các thành phần đa đường không gây nhiễu cho ký tự kế tiếp Việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu giúp mở rộng khoảng thời gian ký tự, từ đó giảm ảnh hưởng của nhiễu ISI trong tín hiệu OFDM.
Chiều dài tổng cộng của ký tự được xác định bằng công thức TS = Δ + T, trong đó TS là chiều dài tổng cộng của ký tự, Δ là khoảng thời gian bảo vệ cần thiết để tránh can nhiễu, và T là thời gian thực hiện quá trình biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM Việc chèn thêm khoảng bảo vệ này giúp đảm bảo tính liên tục và chất lượng của tín hiệu, như minh họa trong hình 1.10, qua đó nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu trong hệ thống OFDM.
Trong hệ thống OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải duy trì ổn định trong suốt thời gian của symbol để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang Nếu không duy trì được khả năng này, hình dạng phổ của sóng mang con sẽ bị biến dạng khỏi dạng sinc lý tưởng, dẫn đến việc các điểm cực tiểu và cực đại của phổ không còn nằm đúng vị trí Điều này gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI), làm giảm hiệu quả truyền tải và chất lượng tín hiệu trong hệ thống OFDM.
ICImà viết tắt của cụm từ Intercarrier Interference, là hiện tượng nhiễu xuyên sóng mang xảy ra khi các kênh đa đường xuất hiện khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Hiện tượng dịch Doppler trên từng thành phần đa đường gây ra sự bù tần số trên mỗi sóng mang, dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua hiện tượng ISI, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất truyền dẫn dữ liệu trong hệ thống đa sóng mang.
Sự bù tần số sóng mang của máy phát và thu cũng gây ra ICI đến 1 ký tự OFDM
Trong phần đầu của chương, chúng ta đã khám phá các khái niệm và cơ sở lý thuyết nền tảng của OFDM, giúp hiểu rõ về công nghệ này Phần tiếp theo tập trung phân tích các vấn đề kỹ thuật chính của OFDM như quá trình đồng bộ và ước lượng kênh, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến quá trình truyền dẫn tín hiệu Những thông tin này cung cấp cái nhìn tổng quan về OFDM trước khi được ứng dụng vào truyền hình số mặt đất, đảm bảo hiệu quả và chất lượng truyền dẫn tối ưu.
1.6 Quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống OFDM, đồng bộ đóng vai trò cực kỳ quan trọng để đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu chính xác Một trong những hạn chế của hệ thống OFDM là dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi đồng bộ, đặc biệt là lỗi đồng bộ tần số, gây mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, các sóng mang nhánh cần duy trì tính trực giao, từ đó đảm bảo khả năng xử lý và phân tách tín hiệu hiệu quả trong hệ thống truyền thông không dây.
IFFT Khoảng thời bảo vệ Khoảng thời IFFT bảo vệ Copy
Hình 1.10 Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Đồng bộ tần số lấy mẫu biến đổi dưới 50 xung/phút (ppm) ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, giúp giảm thiểu nhiễu ICI gây ra bởi sự dịch tần số sóng mang Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI có tác động nghiêm trọng hơn nhiễu ISI, do đó yêu cầu độ chính xác tần số sóng mang phải cao hơn so với độ chính xác về thời gian ký tự để duy trì hiệu suất truyền tải ổn định.
OFDM chia luồng dữ liệu thành nhiều sóng mang phụ, mỗi sóng mang có tốc độ dữ liệu thấp và thời gian tồn tại ký tự T_S, giúp hệ thống chống lại tiếng vọng hiệu quả Tuy nhiên, do khoảng cách giữa các sóng mang phụ T^{-1} thường nhỏ hơn nhiều tổng băng thông, nên việc đồng bộ tần số trở nên phức tạp hơn.
Hình 1.11 mô tả quá trình đồng bộ trong OFDM gồm 3 bước chính: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần số và bám đuổi pha
Nhận biết khung giúp xác định ranh giới giữa các ký tự OFDM bằng cách sử dụng chuỗi PN miền thời gian mã hoá vi phân Nhờ đặc điểm tương quan, chuỗi PN cho phép định vị chính xác vị trí thời gian, đặc biệt khi chuỗi PN đồng bộ với chuỗi thu, từ đó dễ dàng xác định ranh giới ký tự OFDM qua đỉnh tương quan Trong môi trường kênh đa đường, các đỉnh tương quan PN phụ thuộc vào trễ đa đường, với đỉnh lớn nhất xuất hiện tại vị trí trễ tương ứng với năng lượng tối đa của đa đường Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này được sử dụng để xác định ranh giới ký hiệu OFDM Trong trường hợp không ước lượng được khoảng dịch tần số, phương pháp điều chế vi phân được áp dụng, giúp chuỗi PN được mã hoá vi phân trên các mẫu tín hiệu lân cận nhằm duy trì độ chính xác trong nhận dạng khung.
Tại phía thu, tín hiệu nhận được được giải mã vi phân để xác định các đặc điểm chính của dữ liệu, sau đó được tính tương quan với chuỗi PN đã biết nhằm đảm bảo chính xác trong quá trình xác thực Quá trình định thời kết quả phản ánh khả năng đồng bộ của hệ thống, góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu Việc sử dụng các kỹ thuật phân tích tín hiệu và tính tương quan giúp tối ưu quá trình giải mã, đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu lỗi trong hệ thống truyền thông.
Nhận biết khung Ước lượng khoảng dịch tần số
FFT Bám đuổi pha Ước lượng kênh Giải mã
Hình 1.11 Quá trình đồng bộ trong OFDM
M , (1.18) trong đó: y i là tín hiệu thu; d i ( ) là chuỗi PN;
N c là độ dài chuỗi PN; g có thể được xem như một khoảng dịch cửa sổ trượt;
M g là Metric định thời phức
Sự nhận biết khung thành công khi:
- Phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất ;
- Tỷ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định
Khoảng dịch tần số gây ra bởi sự sai khác giữa tần số sóng mang phát và sóng mang thu, đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sóng mang Ước lượng khoảng dịch tần số thường dựa trên hai ký tự OFDM dẫn đường, trong đó ký tự thứ hai là ký tự thứ nhất dịch sang trái theo chiều dài tiền tố lặp CP, gọi là Δ Các mẫu tín hiệu cách nhau thời gian T (độ dài ký tự FFT) sẽ giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha e^{j 2π (Δ/fc) T} do sự chênh lệch tần số gây ra Khoảng dịch tần số này được phân thành phần nguyên và phần thập phân để phân tích chính xác hơn.
f C T A , (1.19) trong đó : A là phần nguyên và 1/21/2
Phần nguyên của dữ liệu được xác định thông qua chuỗi PN mã hóa vi phân bằng cách sử dụng các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự dẫn đường, giúp tăng độ chính xác trong quá trình xử lý tín hiệu Đối với phần thập phân, nó được ước lượng bằng phương pháp tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu cách nhau một khoảng thời gian T nhất định, giúp cải thiện độ chính xác trong phân tích dữ liệu Các kỹ thuật này đảm bảo quá trình truyền tải và xử lý tín hiệu diễn ra hiệu quả, phù hợp với các tiêu chuẩn xử lý tín hiệu hiện đại.
1.7 Các phương pháp đồng bộ trong OFDM
Các phương pháp đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ ký tự chính là bước quan trọng trong việc đảm bảo đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM, giúp khắc phục lỗi thời gian Việc đồng bộ ký tự đảm bảo xác định chính xác thời điểm bắt đầu của mỗi ký tự OFDM, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu và giảm thiểu lỗi truyền thông.
Hiện nay, kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) đã giúp thực hiện đồng bộ ký tự dễ dàng hơn, cải thiện hiệu suất trong các hệ thống truyền thông Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác, cần chú ý đến hai yếu tố quan trọng là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang, có thể ảnh hưởng đến quá trình đồng bộ và chất lượng truyền tải.
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch trong thời điểm bắt đầu của ký tự OFDM, ảnh hưởng đến sự trực giao giữa các sóng mang Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ để đáp xung của kênh vẫn nằm trong chiều dài của khoảng tiền tố lặp (CP), hệ thống vẫn duy trì hiệu quả tính trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này, thời gian trễ của ký tự được xem như độ dịch pha của kênh truyền, và độ dịch pha này được xác định qua kỹ thuật ước lượng kênh Ngược lại, khi chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian, hệ thống gặp phải lỗi ISI gây suy giảm hiệu suất Để đồng bộ thời gian, có hai phương pháp phổ biến là đồng bộ dựa trên tín hiệu pilot và đồng bộ dựa trên tiền tố lặp Phương pháp đồng bộ từ tín hiệu pilot phù hợp cho các hệ thống OFDM truyền qua kỹ thuật điều tần, trong đó tín hiệu được mã hóa với các thông tin biết trước về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ, sau đó đã được điều chỉnh để áp dụng cho hệ thống OFDM truyền qua kỹ thuật điều biên.
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang, xuất phát từ sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu Hiện tượng này gây ra nhiễu loạn trong quá trình truyền tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Để giảm thiểu nhiễu pha sóng mang, cần kiểm soát và ổn định các thiết bị tạo dao động trong hệ thống truyền thông Nghiên cứu các phương pháp chống nhiễu pha sóng mang đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ ổn định và hiệu quả của hệ thống truyền dẫn.
Đồng bộ tần số sóng mang là yếu tố quyết định cho hiệu quả của hệ thống truyền thông đa sóng mang, trong đó hai vấn đề chính là lỗi tần số và ước lượng khoảng dịch tần số Lỗi tần số phát sinh do sự khác biệt về tần số giữa bộ tạo dao động của phía phát và phía thu, bao gồm cả ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler và nhiễu pha từ kênh truyền không tuyến tính Những tác động chính của lỗi tần số gồm suy giảm biên độ tín hiệu thu và hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ICI), làm giảm chất lượng và khả năng truyền dữ liệu của hệ thống.
Có hai phương pháp chính để ước lượng khoảng dịch tần số của sóng mang, bao gồm sử dụng tiền tố lặp và phương pháp ước lượng dựa trên dữ liệu Trong đó, ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang bằng cách sử dụng tiền tố lặp dựa vào một sóng mang nhánh được điều chế từ dòng dữ liệu Phương pháp này giúp xác định chính xác sự dịch chuyển tần số của tín hiệu trong các ứng dụng truyền thông và xử lý tín hiệu.
Tín hiệu ở phía phát: S n nT t g n s t x ; (1.21)
S nt nT t h n s t y , (1.22) trong đó: h t là đáp ứng kênh truyền; n t là nhiễu cộng
Khi có tiền tố lặp với chiều dài như hình 1.9, tín hiệu ở phía thu sẽ là: y m i exp j2i/N ui ni (1.23) Đối với I 1, ,0,iI, ta có hàm:
Giá trị ước lượng chỉ hợp lệ khi ε ≤ 0,5; nếu không thỏa mãn, cần thực hiện lại quá trình ước lượng Phương pháp ước lượng khoảng dịch tần số dựa trên chính dữ liệu thu nhận từ tín hiệu phía thu, đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong phân tích phổ.
Ta có thể tách y m n thành hai thành phần sau khi qua FFT :
2 Hình 1.12 Tiền tố lặp trong kí tự OFDM n=0 n=N-1
Giá trị ước lượng chỉ thỏa mãn khi 0,5nếu không thỏa mãn phải thực hiện lại
Đồng bộ tần số lấy mẫu
Trong hệ thống thu, tín hiệu liên tục theo thời gian được lấy mẫu dựa trên đồng hồ của phía thu, gây ra sự bất đồng bộ giữa đồng hồ của phía phát và phía thu Để khắc phục tình trạng này, người ta đề xuất hai phương pháp chính: sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), giúp điều chỉnh tần số nhằm đồng bộ hóa tín hiệu, và phương pháp lấy mẫu không đồng bộ, trong đó tần số lấy mẫu được giữ nguyên nhưng tín hiệu sau khi lấy mẫu được xử lý số để đảm bảo sự đồng bộ.
Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng trong OFDM
Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ trong hệ thống truyền dẫn được đánh giá dựa trên sự suy giảm của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) Đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu đóng vai trò quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, bao gồm cả kênh fading và kênh AWGN Suy hao SNR (dB) tỷ lệ thuận với bình phương độ sai lệch tần số sóng mang, trong khi độ lệch của nhiễu pha sóng mang lại ảnh hưởng tăng lên cùng với số lượng sóng mang Do đó, suy hao SNR theo lỗi pha sẽ tăng khi tăng số lượng sóng mang Ngoài ra, suy hao SNR theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương của chỉ số sóng mang và độ dịch tần số lấy mẫu tương đối, trong đó ảnh hưởng của lỗi thời gian có thể bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ để không làm vượt quá giới hạn của tiền tố lặp CP, đảm bảo độ chính xác của đáp ứng xung kênh.
Mô hình kênh và ước lượng kênh trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn như sau:
k k k t t h( ,) ( )( ), (1.30) trong đó: k là thời gian trễ của đường truyền thứ k;
k (t) là biên độ phức tương ứng
Rời rạc hóa mô hình trên, nghĩa là : h t, h nT f ,lT s Áp dụng DFT ta được:
, (1.31) trong đó: N là số kênh nhánh của một khối OFDM;
T f , f là độ dài thời gian và khoảng cách kênh nhánh của hệ thống OFDM, chu kỳ mẫu quan hệ với f như sau: T f 1/Nf ;
K 0 là thời gian trễ trong mẫu hoặc độ dài đáp ứng xung kênh truyền, thường thì nhỏ hơn nhiều so với N (K 0
