KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO
Giới thiệu chương
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một phương pháp điều chế đa sóng mang được phát minh bởi R.W Chang năm 1966, trong đó các sóng mang phụ trực giao giúp cho phổ tín hiệu của chúng có thể chồng lấn lên nhau mà vẫn giữ khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu tại phía thu Nhờ đặc điểm này, hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế truyền thống, đồng thời tăng khả năng chống lại fading tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu Kỹ thuật này cho phép truyền thông tin tốc độ cao song song với các tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp, giúp tối ưu hóa băng thông sử dụng Các nghiên cứu khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện qua biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng DFT, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật này trong lĩnh vực truyền thông số Thay vì sử dụng IDFT, người ta có thể dùng phép biến đổi IFFT để thực hiện bộ điều chế OFDM, và FFT để thực hiện giải điều chế, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý tín hiệu trong các hệ thống OFDM hiện đại.
Chương này giới thiệu về tính trực giao của OFDM và nguyên tắc hoạt động của công nghệ này, giúp hiểu rõ cách thức truyền tải dữ liệu hiệu quả Các thuật toán IFFT/FFT là thành phần cốt lõi trong hệ thống OFDM, giúp chuyển đổi giữa miền thời gian và miền tần số một cách chính xác Ngoài ra, nội dung còn phân tích các thành phần chủ yếu của hệ thống OFDM để cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc, dễ dàng tiếp thu các kiến thức ở các chương sau Đồng thời, chương này cũng xem xét cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh, làm cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc hiểu rõ các kỹ thuật truyền dữ liệu trong hệ thống này.
Kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh để tạo ra hệ thống truyền dẫn hiệu quả Trong OFDM, các tín hiệu độc lập từ nhiều nguồn khác nhau được tổ hợp thành các sóng mang con, giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông Quá trình này bắt đầu bằng việc chia tín hiệu thành các phần riêng biệt, sau đó mã hóa và ghép kênh để tạo thành các sóng mang OFDM mạnh mẽ Kỹ thuật điều chế OFDM là một dạng đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, mang lại khả năng chống nhiễu và cải thiện hiệu quả truyền tải dữ liệu.
1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM
Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM điển hình được trình bày ở hình 1.1
Trong hệ thống OFDM, máy phát chuyển đổi dữ liệu số thành các tín hiệu sóng mang con bằng quá trình biến đổi Fourier ngược (IDFT), giúp đưa phổ dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian Các sóng mang con này được lấy mẫu trong miền tần số với các điểm rời rạc, sau đó hệ thống thường sử dụng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) để xử lý hiệu quả hơn trong thực tế Cuối cùng, tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn tần để phù hợp với tần số vô tuyến truyền dẫn, đảm bảo việc phát và thu dữ liệu chính xác, hiệu quả cao.
Máy thu là thiết bị thực hiện hoạt động ngược lại so với phía phát, trong đó tín hiệu RF hạ tần được trộn thành tín hiệu băng tần cơ sở để xử lý Sau đó, kỹ thuật FFT được sử dụng để phân tích tín hiệu theo miền tần số, giúp xác định biên độ và pha của các sóng mang con Cuối cùng, thông tin này được giải điều chế thành các luồng số và chuyển đổi trở lại thành dữ liệu số ban đầu, đảm bảo truyền dẫn chính xác và hiệu quả.
1.2.3 Nguyên tắc hoạt động của OFDM Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ BSCM và BMCM chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM Với MCM, f k ,Fk(f;t), NSC và f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k, phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết theo công thức 1.1:
Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu scm, mcm được viết theo công thức 1.2:
Trong bài viết này, S SCM (f; t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát, còn H k (f; t) là hàm truyền tương ứng với dải tần B k Khi số sóng mang phụ tăng lên, đáp ứng pha và biên độ của hệ thống sẽ trở nên tối ưu hơn, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định hơn Việc phân tích phổ tần và hàm truyền giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm của tín hiệu SCM trong các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ cao.
Hk(f;t) được xem như là không đổi trên Bk, vì vậy R MCM (f;t) xấp xỉ bằng:
Hk(f;t) là hàm suy hao phức có giá trị trong khoảng Bk, nhằm mô tả hiệu quả truyền tải tín hiệu trong kênh vô tuyến Công thức 1.3 chứng minh rằng phương pháp MCM (Multiple Carrier Modulation) hoạt động mạnh mẽ và hiệu quả, đặc biệt trong việc chống lại hiện tượng fading chọn tần số Đặc biệt, việc khôi phục tín hiệu tại điểm thu của hệ thống MCM không yêu cầu sử dụng bộ cân bằng như trong phương pháp SCM, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và giảm độ phức tạp của hệ thống.
1.2.4 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM
OFDM có nhiều ưu điểm nổi bật nhờ tính trực giao của các sóng mang, giúp tránh xuyên nhiễu giữa các sóng con Công nghệ đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT giúp hệ thống OFDM hiệu quả không chỉ bằng cách lọc dải tần mà còn xử lý băng gốc, giảm hiện tượng phân tán theo thời gian do truyền đa đường Tối ưu hóa hiệu quả phổ tần, cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con và giảm tác động của fading bằng cách chia kênh fading thành các kênh con phẳng phù hợp với các tần số khác nhau Kỹ thuật OFDM còn khắc phục hiện tượng truyền không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn và có khả năng loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên ký hiệu ISI khi độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn của kênh Hệ thống OFDM phù hợp cho truyền dẫn băng rộng, giảm ảnh hưởng của phân tạp tần số về chất lượng so với hệ thống đơn sóng mang, đồng thời sở hữu cấu trúc bộ thu đơn giản, nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống truyền dữ liệu.
OFDM, mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng còn tồn tại nhược điểm đáng chú ý như đường biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi tuyến tại các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu Việc sử dụng chuỗi bảo vệ làm giảm hiệu suất sử dụng đường truyền vì chuỗi này không mang thông tin có ích Ngoài ra, hệ thống yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ cũng là một thách thức cần được xem xét.
OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ.
Tính trực giao trong hệ thống OFDM
Trực giao trong hệ thống OFDM thể hiện mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang, cho phép các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà vẫn duy trì khả năng thu nhận tín hiệu chính xác Trong hệ thống FDM truyền thống, các sóng mang cách nhau một khoảng quy định để tín hiệu có thể được nhận lại bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường, tuy nhiên điều này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ do phải dành chỗ bảo vệ giữa các sóng mang Ngược lại, OFDM sắp xếp các sóng mang sao cho chúng trực giao về mặt toán học, giúp các tín hiệu chồng chéo mà không gây nhiễu, tăng khả năng sử dụng phổ Máy thu OFDM hoạt động bằng cách dịch các sóng mang về mức DC và tích phân trên một chu kỳ symbol để phục hồi dữ liệu, với điều kiện các sóng mang phải cách nhau theo bội số của 1/T để duy trì tính trực giao Bất kỳ nhiễu phi tuyến hay can nhiễu do can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) đều làm mất tính trực giao này, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hệ thống.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthogonal basic) i ( t ) / i 0 , 1 có tính chất sau:
Xử lý tín hiệu OFDM (điều chế và giải điều chế) diễn ra trong miền tần số thông qua các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu Trong đó, nguyên tắc tính trực giao ngày càng được sử dụng rộng rãi, dựa trên nghiên cứu các vectơ trong toán học Hai vectơ được gọi là trực giao khi chúng vuông góc với nhau (góc 90 độ) và tích vô hướng của chúng bằng 0, đảm bảo quá trình xử lý tín hiệu diễn ra chính xác và hiệu quả hơn.
Hình 1.2 Hai vectơ trực giao với nhau
Hình 1.3 trình bày giá trị của sóng sine bằng 0, giúp làm rõ đặc điểm của tín hiệu Kiến trúc của một tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang con được thể hiện rõ ràng trong hình 1.4 với các phân đoạn 1.4.1a, 1.4.2a, 1.4.3a và 1.4.4a mô tả các sóng mang con riêng lẻ có tần số lần lượt là 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz và 40 Hz, góp phần vào hiệu quả hoạt động của hệ thống truyền thông OFDM.
Pha ban đầu của toàn bộ các sóng mang con này là 0, đảm bảo tính đồng bộ trong hệ thống OFDM Các hình 1.4.5a và 1.4.5b trình bày tín hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số, giúp minh họa rõ quá trình truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định của công nghệ OFDM.
Hình 1.4 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số,
Trong quá trình phân tích tín hiệu, hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng 0, như hàm sin ví dụ dưới đây Khi cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin, tổng trung bình sẽ bằng 0, như minh họa trong hình 1.4 Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình tích hợp và xử lý tín hiệu trong hệ thống OFDM, giúp đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của dữ liệu truyền tải.
6 phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như công thức 1.5:
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá trình này cũng bằng 0 thể hiện ở hình 1.5
Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau thể hiện tính trực giao của các dạng sóng sin Khi hai dạng sóng sin không cùng tần số, tích phân của chúng sẽ bằng không, giúp hiểu rõ quá trình điều chế OFDM Ngược lại, nếu hai sóng có cùng tần số, đồ thị tích phân sẽ khác biệt rõ ràng, như minh họa trong hình 1.6.
Hình 1.6 trình bày về tích phân của hai sóng sin cùng tần số, cho thấy khi hai sóng sin có cùng tần số thì dạng sóng hợp thành luôn có giá trị trung bình khác không và luôn dương Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM, khi các máy thu OFDM chuyển đổi tín hiệu từ miền tần số sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số FFT để tái tạo dữ liệu chính xác.
Quá trình giải điều chế trong miền tần số (digital domain) được thực hiện bằng cách nhân sóng mang của máy thu với sóng mang chuẩn xác về tần số và pha, sau đó tích phân toàn bộ các sóng mang để tách ra hiệu quả, xác định giá trị symbol Toàn bộ quá trình này diễn ra nhanh chóng cho từng sóng mang, cho phép giải điều chế tất cả các sóng mang của tín hiệu OFDM Tính trạng trực giao của các tín hiệu OFDM được chứng minh qua phân tích phổ của hàm sin(x)/x, trong đó mỗi sóng mang có đỉnh trung tâm tại tần số đặc trưng và không chồng lấp qua các điểm không của sóng mang khác, tạo ra hiện tượng trực giao rõ ràng Đáp ứng của 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM thể hiện rõ trên hình 1.7 với đường màu đen đậm.
Hình 1.7 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang [sim_ofdm_mc.m] [1]
Biến đổi Fourier nhanh và biến đổi Fourier nhanh ngược trong OFDM
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép truyền dữ liệu song song qua nhiều sóng mang con nhờ vào tính năng phân chia kênh Để thực hiện điều này, mỗi kênh con yêu cầu một máy phát sóng sin, bộ điều chế và bộ giải điều chế, nhưng khi số kênh con lớn, phương pháp này trở nên không khả thi hoặc hiệu quả kém Để khắc phục hạn chế này, phương pháp biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và ngược DFT (IDFT) được sử dụng để thay thế các thiết bị truyền thống trong từng kênh phụ, giúp giảm thiểu số phần tử cần xử lý Thuật toán FFT/IFFT được ứng dụng để thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh hơn, tiết kiệm hiệu quả về mặt tính toán và nâng cao hiệu suất của hệ thống OFDM.
Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f k = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra: fk = n∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng phương trình 1.6 :
Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s /N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.6) được viết lại như phương trình 1.7 :
Nếu thỏa mãn điều kiện fT s 1, ( 1 )
, thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình 1.7 được viết lại như phương trình 1.8:
Phương trình trên cho thấy tín hiệu đầu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc có chiều dài N trong miền thời gian Trong hệ thống thu nhận, bộ DFT được sử dụng để tái tạo lại tín hiệu gốc X(k), giúp phục hồi tín hiệu ban đầu chính xác và hiệu quả.
X = X (k ) (1.9) Ở đây, hàm ( m k )là hàm delta, được định nghĩa là:
Kỹ thuật OFDM nổi bật với đặc điểm chính là mỗi sóng mang có một tần số khác nhau, được chọn sao cho đảm bảo tính trực giao trong khoảng thời gian [0, Tₛ] Điều này giúp tăng hiệu quả truyền tải dữ liệu và giảm nhiễu crosstalk so với kỹ thuật FDM cổ điển Các tần số trong OFDM phải thỏa mãn điều kiện trực giao theo phương trình 1.11, đảm bảo các sóng mang không gây nhiễu lẫn nhau trong hệ thống truyền thông không dây.
Trong kỹ thuật OFDM, phổ của các sóng mang phụ chồng chập lên nhau, giúp nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông Khoảng cách giữa các sóng mang được thiết lập bằng nghịch đảo chu kỳ của tín hiệu OFDM (∆f = 1/Ts), đảm bảo tính trực giao giữa chúng Hình 1.7 minh họa rõ ràng rằng tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ các kênh khác, giúp đơn giản hóa quá trình khôi phục dữ liệu tại bộ thu Đặc biệt, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang đóng vai trò rất quan trọng trong OFDM, đặt ra sự cần thiết của việc đồng bộ hệ thống để đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu.
Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật OFDM được sử dụng trong thực tế Công nghệ này giúp giảm độ phức tạp và giá thành của hệ thống truyền dẫn, đồng thời tăng độ chính xác trong quá trình truyền dữ liệu.
Hình 1.8 Phổ của tín hiệu OFDM [1]
Trong truyền dẫn multicarrier, để biểu diễn tín hiệu X(k) dưới dạng phức nhằm thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang, có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT Tín hiệu vào của bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X‟(k) có độ dài 2N từ chuỗi tín hiệu phức X(k) cũng chính là sử dụng phép biến đổi FFT hoặc IFFT để mở rộng tín hiệu phù hợp với yêu cầu truyền dẫn đa tần số.
Điều chế sóng mang con
Sau khi đã được mã hóa và xen kẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế bằng các phương pháp như BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM để đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu Các dòng bit này trên mỗi nhánh được sắp xếp hợp lý để tối ưu hóa quá trình truyền tín hiệu và tăng độ tin cậy của hệ thống.
Các nhóm điều chế tín hiệu được phân thành 10 nhóm dựa trên số bit Nbs (1, 2, 4, 6), tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, và 64-QAM Điều này có nghĩa là dạng điều chế được xác định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra Các phương pháp điều chế như BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM cung cấp các mức độ truyền dữ liệu khác nhau dựa trên số bit biểu diễn mỗi ký hiệu Vì vậy, việc lựa chọn dạng điều chế phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về tốc độ truyền tải và độ chống nhiễu của hệ thống.
Khi sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM, 6 bit đầu tiên được nhóm lại để biểu diễn một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng của kiểu điều chế này Trong đó, 3 bit LSB (b0, b1, b2) thể hiện giá trị của thành phần I, còn 3 bit MSB (b3, b4, b5) biểu thị giá trị của thành phần Q, theo bảng tra dữ liệu đã định sẵn.
Bảng 1.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM [3] b 0 b 1 b 2 I b 3 b 4 b 5 Q
Tầng điều chế sóng mang RF
Bộ điều chế OFDM tạo ra một tín hiệu băng tần cơ sở, được nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến thông qua quá trình trộn Có thể sử dụng kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần dưới dạng điều chế tương tự hoặc điều chế số, nhưng điều chế số mang lại hiệu suất tốt hơn nhờ đồng bộ pha chính xác Điều này giúp cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q, nâng cao chất lượng truyền dẫn vô tuyến.
Hình 1.9 Điều chế số cao tần tín hiệu OFDM
Hầu hết các ứng dụng vô tuyến sử dụng tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở bằng các mẫu phức, sau đó chuyển đổi sang phổ RF bằng bộ điều chế IQ Bộ điều chế IQ có vai trò dịch chuyển phổ tần của tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức sang vùng tần số vô tuyến, đồng thời chuyển đổi từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực) Tín hiệu RF phát ra luôn là tín hiệu thực, chỉ biến đổi giá trị cường độ trường để truyền dẫn dữ liệu hiệu quả.
Một tín hiệu thực được tạo ra tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức, có tần số trung tâm là 0 Hz, được trộn với tần số sóng mang trong quá trình điều chế IQ Điều này giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và nâng cao hiệu quả trong các hệ thống truyền thông kỹ thuật số Ngoài ra, việc sử dụng tín hiệu băng tần cơ sở phức còn giúp giảm nhiễu và tăng khả năng chống nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu.
Trong hệ thống OFDM, f_c là tần số sóng mang dùng để dịch tín hiệu từ băng tần cơ sở lên tín hiệu cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu, và f_off là tần số dịch từ DC (xem hình 1.10) Trong các ứng dụng hữu tuyến như ADSL, hầu hết các sóng mang con có tổng độ dịch DC thấp hơn độ rộng băng tần tín hiệu, giúp giảm phức tạp của quá trình dịch tần Điều này cho phép tạo tín hiệu thực trực tiếp bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ để thực hiện quá trình dịch tần số, từ đó tối ưu hóa hiệu quả và đơn giản hóa hệ thống truyền tải.
Hình 1.10 minh họa tín hiệu OFDM dịch DC, trong đó chỉ cần một nửa các sóng mang con để điều chế dữ liệu, còn nửa còn lại gồm các lát tần số cao của IFFT có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát tần số thấp hơn Điều này giúp tạo ra một tín hiệu OFDM thực, tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu trong hệ thống không dây.
Tiền tố lặp
Tiền tố lặp (CP - Cyclic Prefix) là kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM giúp giảm thiểu tác động của nhiễu xuyên kênh (ICI) và nhiễu xuyên ký tự (ISI), đảm bảo tính trực giao của các subcarrier Việc sử dụng CP giúp cải thiện độ ổn định và chất lượng truyền tải dữ liệu trong hệ thống OFDM Kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm lỗi trong truyền dẫn không dây hoặc cáp quang.
Phổ tín hiệu OFDM f off f c
Trong kỹ thuật truyền tín hiệu OFDM, để bảo vệ các ký tự khỏi nhiễu, người ta sử dụng phương pháp 12 sóng mang phụ, trong đó tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự để tạo khoảng thời gian bảo vệ Sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ này, thời gian truyền một ký tự (T_s) bao gồm cả thời gian khoảng bảo vệ (T_g) và thời gian truyền thông tin hữu ích, chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự, giúp tăng khả năng chống méo tín hiệu và nhiễu chéo giữa các ký tự trong hệ thống OFDM.
Ta có : Ts = Tg + TFFT
Ký tự OFDM lúc này có dạng :
Hình 1.11 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM [1]
Chiều dài của dải bảo vệ được giới hạn để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tần số Tuy nhiên, nó cần phải bằng hoặc vượt quá giá trị trải trễ cực đại (Maximum Delay Spread) để duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, giúp loại bỏ các hiện tượng xuyên nhiễu ICI và ISI Trong các hệ thống truyền dẫn qua dây, giá trị trải trễ cực đại là một tham số quan trọng phản ánh tác động của hiện tượng đa đường (Multipath) gây nhiễu tín hiệu.
IFFT GP IFFT đầu ra GP IFFT
Hiệu ứng đa đường gây ra tín hiệu thu tại bộ thu không chỉ từ đường truyền trực tiếp mà còn từ các đường phản xạ khác nhau, dẫn đến các tín hiệu đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu qua đường trực tiếp và tín hiệu qua các đường phản xạ đến bộ thu Khi phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, đáp ứng xung h(h(t)) của kênh truyền bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường theo công thức 1.15.
Với: A k là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k
Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường
Tiền tố lặp (CP) trong hệ thống OFDM giúp loại bỏ nhiễu ISI và ICI hiệu quả, nhờ khả năng tăng cường đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang Việc sử dụng CP đảm bảo hệ thống truyền dẫn ổn định hơn, giảm thiểu lỗi do nhiễu liên quan đến multi-path và crosstalk Đây là yếu tố quan trọng giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống OFDM trong các ứng dụng truyền dữ liệu không dây.
Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM
Hình 1.12 thể hiện cấu trúc các ký hiệu OFDM trong miền thời gian, trong đó T FFT đại diện cho thời gian truyền dữ liệu hiệu quả, còn T G là thời gian bảo vệ nhằm chống nhiễu và xung đột Ngoài ra, các thông số quan trọng khác như T win thể hiện thời gian của cửa sổ truyền dữ liệu trong hệ thống OFDM, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và giảm thiểu lỗi.
Hình 1.12 Cấu trúc tín hiệu OFDM Thấy rõ quan hệ giữa các thông số là phương trình 1.16:
Tiền tố Khoảng thời gian lấy FFT Hậu tố Thời gian k T sym
Cửa sổ được sử dụng nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại các ranh giới ký hiệu và giảm tính nhạy cảm của dịch tần số Trong các loại cửa sổ phổ biến, cửa sổ cosine được ứng dụng rộng rãi vì khả năng tăng cường hiệu quả xử lý tín hiệu Loại cửa sổ này được định nghĩa bởi phương trình 1.17, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của các phân tích tín hiệu.
sym sym sym sym sym sym sym sym
Trong đó, β là hệ số dốc của hàm cosin tăng và T_Sym là khoảng thời gian ký hiệu, ngắn hơn toàn bộ thời gian của một ký hiệu để cho phép các ký hiệu lân cận chồng lấn nhau trong vùng dốc (Roll-Off Region) Điều này giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và giảm nhiễu trong hệ thống truyền thông kỹ thuật số Việc điều chỉnh hệ số dốc β và thời gian ký hiệu T_Sym đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống, đảm bảo cân bằng giữa tốc độ truyền và chất lượng tín hiệu.
1.8.2 Các thông số trong miền thời gian
Trong hình 1.12, các thông số OFDM trong miền thời gian bao gồm chu kỳ ký hiệu T sym, thời gian truyền hiệu quả hoặc thời gian FFT T FFT, thời gian bảo vệ T G, và thời gian cửa sổ T win Trong quá trình mô phỏng, phần lớn thời gian được dành cho T FFT và chu kỳ ký hiệu, đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tích và thiết kế hệ thống OFDM.
Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì phương trình 1.16 trở thành phương trình 1.18 như sau:
Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu) được định nghĩa bởi phương trình 1.19: sy m
Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có thể được dùng để tính toán thông lượng
1.8.3 Các thông số trong miền tần số
Hình 1.13 trình bày cách sắp xếp OFDM trong miền tần số, tập trung vào ba thông số chính: toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần của mỗi sóng mang con f, và số lượng sóng mang con N sub Những yếu tố này quyết định hiệu suất và khả năng truyền dữ liệu của hệ thống OFDM Hiểu rõ các tham số này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống truyền thông không dây dựa trên công nghệ OFDM.
Quan hệ giữa chúng thể hiện ở công thức 1.20: f N
Trong quá trình thiết kế hệ thống, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng (B) thường bị hạn chế Do đó, các nhà thiết kế cần xác định các thông số OFDM trong miền tần số, đặc biệt là độ rộng băng tần sóng mang con (Δf) và số lượng sóng mang con phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dữ liệu.
Độ rộng băng tần của sóng mang con và số sóng mang con phụ thuộc lẫn nhau, vì vậy chỉ cần điều chỉnh một thông số là đủ để kiểm soát chúng Tuy nhiên, cả hai đều cần được đánh giá qua các tiêu chuẩn phù hợp để đảm bảo hiệu quả thiết kế hệ thống Hạn chế về độ rộng băng tần và số sóng mang con cần được xác định rõ ràng để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn Do đó, việc kiểm tra kỹ lưỡng cả hai yếu tố này là cần thiết trong quá trình thiết kế hệ thống truyền thông RF.
Hình 1.13 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con [1]
1.8.4 Dung lượng của hệ thống OFDM
Một trong những mục tiêu chính của điều chế thích ứng là nâng cao dung lượng của hệ thống Do đó, việc nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến dung lượng là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất Trong phần này, bài viết trình bày các thông số quan trọng cần xem xét cùng với công thức xác định chúng nhằm giúp cải thiện dung lượng hiệu quả hơn.
Dung lượng kênh của Shannon phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu, như được xác định bằng công thức 1.21 Theo đó, khả năng truyền thông tối đa của kênh tăng cùng với việc cải thiện SNR và mở rộng băng thông tín hiệu Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả truyền dữ liệu trong hệ thống truyền thông không dây và mạng dữ liệu.
C = Blog2 (1 + SNR) là công thức tính dung lượng kênh tối đa theo lý thuyết Shannon, trong đó C đại diện cho dung lượng kênh (bps) và SNR là tỷ suất tín hiệu trên nhiễu Điều chế thích ứng được sử dụng để điều chỉnh các thông số điều chế dựa trên trạng thái của kênh nhằm tối ưu hóa dung lượng mà không ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Việc xác định chính xác dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh tại thời điểm xét là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả truyền dữ liệu Dưới đây, chúng ta sẽ đi vào phân tích và tính toán dung lượng kênh dựa trên các yếu tố này để có sự tối ưu hóa trong quá trình truyền tải.
Mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống OFDM Trong các hệ thống OFDM, việc truyền dẫn song song kết hợp với thời gian mở rộng định kỳ tạo ra nhiều yếu tố quyết định dung lượng, làm tăng hiệu quả truyền tải dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống không dây.
Trong bài viết này, chúng ta bắt đầu với trường hợp đơn giản bằng giả thiết các sóng mang con trong hệ thống OFDM có cùng cấu hình, bao gồm điều chế, mã hóa, băng thông và công suất Dựa trên giả thiết này, tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM được tính bằng công thức 1.22, giúp đánh giá hiệu quả truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng viễn thông hiện đại.
Tỷ lệ mã R (code rate) và mức điều chế M ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền dữ liệu và độ phức tạp của hệ thống Số sóng mang con Nsub đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật OFDM, giúp tăng dung lượng truyền tải và giảm tác động của nhiễu sóng mang Thời gian ký hiệu Tsym cùng với độ rộng băng tần B quyết định khả năng xử lý dữ liệu và hiệu suất truyền thông Khoảng cách sóng mang con f được xác định bằng 1/TFFT, trong đó TFFT là thời gian thực hiện phép biến đổi FFT, và tỷ số thời gian FFT so với thời gian ký hiệu OFDM (FSR) ảnh hưởng đến hiệu quả truyền dữ liệu Tốc độ bit tổng cộng được xác định bằng phương trình dựa trên các yếu tố này, giúp tối ưu hóa băng thông và nâng cao hiệu suất mạng truyền thông không dây.
R c sym FFT c sym sym c sub c tb
Từ phương trình 1.23, có thể thấy rằng tốc độ bit của sóng mang con hoặc nhóm sóng mang con phụ thuộc vào bốn thông số chính gồm tỷ lệ mã, mức điều chế, độ rộng băng tần và FSR Trong hệ thống OFDM, người dùng có khả năng điều chỉnh các thông số này để tối ưu hóa tốc độ bit, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) phù hợp với điều kiện kênh tại thời điểm hiện tại, giúp nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu một cách linh hoạt và hiệu quả.
Kết luận chương
Chương này trình bày các vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM như tính trực giao và phương pháp biến đổi IFFT/FFT, đồng thời giới thiệu các thành phần của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền Hiện nay, OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh trong truyền thông vô tuyến, gọi là COFDM (coded OFDM), nhằm chống lỗi đường truyền bằng cách mã hóa tín hiệu trước khi điều chế Do đặc điểm chất lượng kênh như fading và SNR khác nhau ở từng sóng mang, hệ thống điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế phù hợp, mở ra khái niệm về truyền dẫn sử dụng OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi Tuy nhiên, nội dung này không đi sâu vào OFDM mà tập trung vào đặc tính kênh truyền trong hệ thống OFDM của các chương sau.
(số bít / sóng mang con / ký hiệu)số sóng mang con
ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Giới thiệu chương
Chương 2 sẽ lần lượt đề cập về các khái niệm cơ bản đặc trưng trong truyền lan sóng vô tuyến, các đặc tính chung của kênh truyền, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các yêu cầu đối với mô hình kênh Các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng Bên cạnh đó, các ứng dụng của OFDM trong các hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay cũng sẽ được trình bày một cách chi tiết.
Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện tử giữa máy phát và máy thu, chịu ảnh hưởng lớn của các loại nhiễu như nhiễu Gauss trắng cộng, fading phẳng, fading chọn lọc tần số và fading nhiều tia Trong truyền vô tuyến, tác động của nhiễu giao thoa và nhiễu bên ngoài rất nghiêm trọng, vì môi trường này đặc trưng bởi truyền đa đường và dễ bị ảnh hưởng bởi fading tia và fading chọn lọc tần số Kỹ thuật OFDM, với khả năng truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao và phân chia băng thông thành nhiều băng con đều nhau, đã khắc phục hiệu quả ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số; các kênh con này có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số Thêm vào đó, việc sử dụng tiền tố lặp (CP) trong OFDM giúp hạn chế ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của truyền dẫn vô tuyến.
Sự suy hao là hiện tượng giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác, do ảnh hưởng của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường Để khắc phục vấn đề này, phía phát thường được đặt ở vị trí càng cao càng tốt nhằm giảm thiểu các vật cản gây suy hao tín hiệu Các vùng tạo bóng tín hiệu thường rộng và tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm, nên hiện tượng này còn được gọi là fading chậm.
Fading Rayleigh là hiện tượng fading phẳng gây ra bởi đa đường (multipath signal) khiến mức tín hiệu thu nhận giảm so với tín hiệu phát đi theo phân bố Rayleigh và được gọi là fading nhanh do suy giảm công suất rõ rệt trên khoảng cách ngắn, từ 10-30dB.
Fading Rayleigh xảy ra do sự giao thoa của các sóng thu được, làm tăng hoặc giảm cường độ tín hiệu do sự kết hợp của các thành phần đa đường Khi bộ thu di chuyển, pha giữa các thành phần này thay đổi, gây ra sự thay đổi trong độ mạnh của tín hiệu nhận được và dẫn đến mất công suất tín hiệu Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả sự thay đổi theo thời gian của công suất tín hiệu nhận được, phản ánh xác suất các mức tín hiệu do fading gây ra Bảng 2.1 thể hiện xác suất của các mức tín hiệu liên quan đến phân bố Rayleigh, giúp hiểu rõ hơn về đặc tính của fading trong hệ thống truyền thông không dây.
Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh
Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)
Trong môi trường đa đường, tín hiệu thu được thường suy giảm theo khoảng cách, do sự thay đổi pha của các thành phần đa đường gây ra Thay đổi pha này xảy ra bởi các thành phần tín hiệu đến máy thu tại các thời điểm khác nhau, do hiện tượng trễ lan truyền Trễ lan truyền không những gây giảm cường độ tín hiệu mà còn làm xoay pha của tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn không dây.
Hình 2.1 Các tín hiệu đa đường [8]
2.2.3 Fading lựa chọn tần số
Trong truyền dẫn vô tuyến, đáp ứng phổ của kênh thường không bằng phẳng, bị dốc và suy giảm do phản xạ gây ra, dẫn đến tình trạng triệt tiêu một số tần số tại đầu thu Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể tạo ra các tín hiệu đa đường có cường độ tương tự như tín hiệu chính, gây ra hiện tượng điểm “null” trong công suất tín hiệu do giao thoa Điều này có thể làm mất toàn bộ tín hiệu trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số phù hợp trên kênh truyền.
Có thể khắc phục bằng cách truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm thiểu suy hao tín hiệu Một giải pháp khác là phân chia toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang riêng biệt và trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Khi tín hiệu ban đầu được trải đều trên băng thông rộng, phổ truyền không bị giảm tại tất cả các tần số sóng mang, dẫn đến việc chỉ một vài tần số bị mất Tuy nhiên, thông tin bị mất có thể dễ dàng khôi phục nhờ các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC, nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền thông.
Trải trễ (Delay Spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến bộ thu do hiệu ứng đa đường gây ra, làm tăng nguy cơ nhiễu xuyên ký tự ISI Khi trải trễ vượt quá khoảng 50% chu kỳ bit, hiệu ứng này trở nên rõ rệt hơn, đặc biệt ảnh hưởng đến các hệ thống tốc độ cao Trong kỹ thuật OFDM, việc giảm tốc độ tín hiệu qua bộ S/P giúp tăng chu kỳ tín hiệu, từ đó giảm nhiễu ISI do trải trễ Tín hiệu vô tuyến nhận được từ máy phát gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như tòa nhà, đồi núi, gây ra trễ lớn hơn cho tín hiệu phản xạ Trải trễ là khoảng thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến máy thu, và trong hệ thống số, trải trễ có thể gây nhiễu liên ký tự ISI, đặc biệt nghiêm trọng trong các hệ thống với tốc độ bit cao hoặc sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDMA).
Nhiễu ISI có thể được giảm thiểu hiệu quả bằng cách giảm tốc độ ký tự, chẳng hạn như chia băng thông thành nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng công nghệ FDM hoặc OFDM Ngoài ra, kỹ thuật mã hóa như trong CDMA cũng giúp giảm thiểu nhiễu ISI Theo bảng 2.2, các giá trị trải trễ thông dụng cho các môi trường khác nhau cho thấy môi trường bên ngoài có trải trễ lớn nhất khoảng 20μs, dẫn đến khả năng nhiễu liên ký tự xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng [1]
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu
2.3 Kênh không phụ thuộc thời gian
Kênh không phụ thuộc thời gian là loại kênh truyền dẫn không thay đổi theo thời gian khi không có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát Hiện tượng này đặc trưng bởi đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh đều không phụ thuộc vào thời gian, giúp đảm bảo sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu Đáp ứng xung của kênh được hình thành khi máy thu nhận được một dãy xung cực ngắn gọi là xung Dirac do máy phát phát ra, góp phần tối ưu hóa quá trình truyền thông tin với độ chính xác cao.
d (2.2) Đáp ứng của kênh không phụ thuộc thời gian được định nghĩa theo công thức 2.3 sau:
(2.3) Trong đó: K=1 đến Np là chỉ số của tuyến truyền dẫn
Np là số tuyến truyền dẫn h () là đáp ứng xung của kênh là trễ truyền dẫn ak là hệ số suy hao tương ứng với tuyến k
Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian theo phương trình 2.4:
Như vậy, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh trong trường hợp này đều không phụ thuộc thời gian
Dựa vào hàm truyền đạt của kênh, chúng ta có thể xác định chính xác các miền tần số mà tín hiệu bị suy hao lớn hoặc nhỏ Hiểu rõ đặc điểm này giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu, giảm thiểu mất mát tín hiệu và nâng cao chất lượng truyền thông Việc phân tích hàm truyền đạt là bước quan trọng trong kỹ thuật truyền dẫn để đảm bảo truyền tải hiệu quả và ổn định.
Bề rộng độ ổn định về tần số được xác định theo công thức 2.5: max
( f c (2.5) Với: max là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
Trong truyền dẫn, Bk được gọi là băng tần của kênh Khi ∆fc lớn hơn rất nhiều so với Bk, kênh được xác định là không phụ thuộc tần số, tức là tín hiệu có khả năng truyền liên tục không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự biến đổi tần số Ngược lại, nếu ∆fc nhỏ hơn nhiều so với Bk (∆fc > Ts Ngược lại, nếu (Δt)c
