OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

OFDM ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIFLEXING 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM 1.1.1 Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứ

Giảng viên: ThS Trần Bá Nhiệm

Sinh viên thực hiện: Nhóm 5

NỘI DUNG

1 OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIFLEXING)3

1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM 3

1.1.1 Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin 3

1.1.2 Công nghệ đa truy cập 3

1.1.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 3

1.1.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access) 4

1.1.2.3 CDMA (Code division Multiple Access) 4

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ CDMA 5

1.2 Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDM 8

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 8

1.2.2 Đa sóng mang (Multicarrier) 9

1.2.3 Sự trực giao (orthogonal) 11

1.2.3.1 Mô tả toán học của OFDM 15

1.2.3.2 Trực giao miền tần số 18

1.2.4 Tạo và thu OFDM 19

1.2.4.1 Nối tiếp - song song 20

1.2.4.2 Điều chế tải phụ 20

1.2.4.3 Điều chế RF 21

1.2.5 Khoảng bảo vệ (GUARA PERIOD) 21

1.2.5.1 Bảo vệ chống lại OFFSET thời gian 22

1.2.5.2 Bảo vệ chống lại ISI 23

1.3 Ưu điểm – nhược điểm của công nghệ OFDM 25

1.3.1 Ưu điểm : 25

1.3.2 Nhược điểm: 25

2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) 26 2.1 DVB 26

2.2 DVB-T (Digital Video Broadcast - Terrestrial)[1] 27

2.2.1 Giới thiệu 27

2.2.2 Cách hoạt động 28

3 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 29 3.1 Lý do DVB-T sử dụng OFDM 29

3.3 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB-T 31

3.4 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 32

3.5 Lựa chọn điều chế cơ sở 32

3.6 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 34

3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 37

3 8 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 38

3 9 Kết luận 39

1 OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIFLEXING)

1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM

1.1.1 Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứng dụng tại Mỹ năm 1946, sửdụng băng tần 150MHz, với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênh bị hạn chế là

3 kênh Đó là hệ thống bán song công (người bên này không thể nói trong khi người kiađang nói và cuộc thoại được kết nối bằng nhân công)

Sau khi cải tiến, hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150 Mhz và hệ thốngITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 459Mhz đã được sử dụng vào năm 1969 Đây là

hệ thống song công, trong đó một trạm gốc BS có thể phục vụ cho vùng bán kính rộngđến 80km

Cho đến nay, công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triển vượt bậc trong nhữngnăm gần đây Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùng theo chuẩn IEEE802.11b, cungcấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps Các tiêu chuẩn WLAN mới như IEEE802.11a vàHyperLAN2 dựa trên công nghệ OFDM cung cấp tốc độ dữ liệu tới 54Mbps Tuy nhiêntrong tương lai gần các hệ thống sẽ yêu cầu các mạng WLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn

1000 Mbps Do vậy cần phải cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu củacác hệ thống OFDM trong các ứng dụng WLAN

Mạng di động thế hệ thứ ba và vốn là cung cấp cho khách hàng tốc đô dữ liệu cao, phạm

vi dịch vụ lớn như thông tin thoại, điện thoại truyền hình (videophone) và truy cậpinternet có tốc độ cao Tốc độ dữ liệu cao các mạng di động tương lai có thể được thựchiện nhờ tăng giá phổ phân phối cho các dịch vụ và bằng việc cải thiện hiệu quả phổ.OFDM là một ứng cử viên tiềm năng của hệ thống mobile thế hệ thứ tư

1.1.2 Công nghệ đa truy cập

1.1.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Công nghệ FDMA được sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông tin tương tự.Trong kỹ thuật này, băng tần tổng được phân chia thành nhiều băng tần nhỏ Mỗi thuêbao MS được phép truyền liên tục theo thời gian trên một băng tần nhỏ đã được cấp phát

theo MS đó, do đó đó sẽ không bị trùng Mỗi băng tần bao gồm băng tần tối thiểu choviệc truyền dữ liệu và hai dải tần phòng vệ hai bên để chống nhiễu xuyên kênh.

Đặc điểm của FDMA là thuê bao MS sẽ được cấp phát một kênh đôi liên lạc suốt thờigian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận là đáng kể Trạm BS phải

có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi thuê bao MS trong hệ thống di động

1.1.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access)

Hệ thống thông tin di động TDMA được phát triển trên nền FDMA Ứng dụng kỹ thuậtnén số đối với thoại để mỗi thuê bao trong hệ thống đều có thể truy cập toàn bộ băng tần

vô tuyến của hệ thống ở các khe thời gian khác nhau Mỗi thuê bao được cấp một khethời gian trong cấu trúc khung Khoảng thời gian không sử dụng giữa các khe lân cận làthời gian bảo vệ để giảm nhiễu

Trong hệ thống Cellular, phổ tần được chia thành các dải tần liên lạc trong khe thời giancủa nó để truyền thông tin dữ liệu Nếu phổ tần có sẵn được chia thành nhiều dải tần liênlạc cho các nhóm thuê bao riêng biệt thì gọi là TDMA băng hẹp Còn nếu phổ tần chophép được sử dụng cho mọi thuê bao thì gọi là phương pháp TDMA băng rộng

Khuyết điểm của kỹ thuật TDMA là hiện tượng trễ truyền dẫn gây ra sự trùng chập tínhiệu giữa hai khe thời gian lân cận nếu thời gian bảo vệ của mỗi khe không đủ Lý thuyết

đã chứng minh giả sử bán kính Cell là R thì thời gian trễ là Ttrễ = 2R/C Để tránh chồngchập tín hiệu thì khoảng thời gian bảo vệ tối thiểu của mỗi khe thời gian phải là Gmin =2R/C, nhưng điều này sẽ làm giảm dung lượng kênh Để dung lượng kênh không bị giảmthì có thể sử dụng phương pháp thứ hai là không có thời gian bảo vệ mà thay thế bằngcách điều chỉnh định thời gian phát của thuê bao MS Tuy nhiên khi đó cần phải xác địnhkhoảng cách MS- BS và điều chỉnh định thời thích hợp Vì vậy, cần phải tuỳ theo đặcđiểm từng hệ thống mà lựa chọn phương pháp thích hợp

Hệ thống TDMA điển hình là GSM (Global System for Mobile)

1.1.2.3 CDMA (Code division Multiple Access)

Sự phát triển của công nghệ CDMA bắt đầu năm 1989, sau khi tiêu chuẩn NA - TDMA(IS-54) được thiết lập

Trong hệ thống thông tin di động CDMA, nhiều thuê bao MS sử dụng chung cùng mộtbăng tần Cell, nhưng phân biệt với nhau theo các mã khác nhau Các thuê bao có thể thựchiện cuộc gọi đồng thời mà không gây nhiễu nhờ tính không tương quan giữa các mãkhác nhau đó Mỗi thuê bao di động MS được gán một mã riêng và kỹ thuật trải phổ tínhiệu sẽ giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù có thể cùng một lúc dùngchung dải tần số Nếu muốn thu được tín hiệu của kênh truyền thì phải biết được mã củakênh đó.

Đặc điểm của tín hiệu CSMA là sử dụng tín hiệu cao tần, dải tần rộng hàng MHz, sửdụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng cócường độ rất nhỏ và chống Fading hiệu quả hơn FDMA và TDMA Việc thuê bao các

MS trong Cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việcthay đổi kế hoạch tần số không còn là vấn đề và chuyển giao trở thành mềm Điều khiếndung lượng trong Cell rất linh hoạt Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số nhưTDMA nhưng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại, nên tín hiệu thoại có tốc độ bittrung bình nhỏ hơn

Hệ thống CDMA điển hình là IS-95

1.1.3 Sự phát triển của công nghệ CDMA

Thế kỷ 20 là thời kỳ bùng nổ thông tin trên thế giới và cũng là thời kỳ đánh dấu sự ra đờicủa các kỹ thuật đa truy cập Chúng ta đã từng nghe nói đến các kỹ thuật đa truy cập phânchia theo tần số FDMA với hệ thống AMPS, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gianTDMA với ứng dụng rộng rãi của mạng GSM Có thể khi nghe đến kỹ thuật trải phổ vớiứng dụng rộng rãi của đa truy cập phân chia theo mã CDMA, nhiều người lầm tưởng đây

là công nghệ mới ra đời sau này, bởi nó chỉ được công nhận và ứng dụng rộng rãi trongthương mại vào giữa những năm 90 Nhưng thực ra CDMA đặt trong bối cảnh lịch sử, cónguồn gốc từ chiến tranh thế giới thứ hai Tại Mỹ, vào năm 1940, một nữ diễn viênHollywood đồng thời là nhà sáng chế tài năng George Antheil, là một nhạc sĩ dương cầm,khi chiến tranh thế giới lần hai sắp nổ ra, đã đồng thời sáng chế ra một cách điều khiểnngư lôi bằng cách gửi tín hiệu vô tuyến ngẫu nhiên, nhảy liên tục từ tần số này sang tần

số khác để tránh khả năng bị gián đoạn Ý tưởng này, được biết đến như nhảy tần FH

(Frequency Hopping) và sau đó là trải phổ nhảy tần (FH-SS) Họ sáng chế ra hệ thốngđiều khiển nhảy tần đầu tiên cùng một mẫu tám mươi tần số, bằng số phím chính xác trêncây đàn dương cầm Mặc dù các nhà phát minh đã cố gắng miệt mài để thúc đẩy việcthực thi các kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm nhưng hải quân Mỹ đã loại bỏ xemnhư một giải pháp không khả thi Phát minh này bị chìm vào quên lãng đến năm 1947 khicác kỹ sư tại phân viện hệ thống điện tử Sylvania tại Buffalo New York tiếp tục ý tưởngnày Họ đã dùng công nghệ này vào việc thông tin bảo mật cho Mỹ trong suốt cuộckhủng hoảng tên lửa Cuba vào năm 1962 Sau khi trở thành công nghệ tuyệt mật cho toàn

bộ chính quyền, quân đội Mỹ vào những năm 80 đã tiết lộ bí mật về công nghệ này màbây giờ chúng ta được biết đến công nghệ CDMA

Công nghệ này đã sớm gây được chú ý của công nghệ Wireless mới phát triển Côngnghệ CDMA kết hợp chặt chẽ với trải phổ, hoạt động bởi việc số hoá các cuộc đối thoạikèm theo một mã chỉ được biết bởi nơi phát và nơi thu, chia tín hiệu thành các bit và sau

đó kết nối chúng lại Công nghệ này rất được ưa dùng trong quân đội vì tín hiệu mã hoávới hàng triệu kết hợp khác nhau làm cho việc truyền rất an toàn

Công nghệ CDMA đã chứng minh tính hữu dụng rất cao trong mạng thông tin di độngCellular bởi nó cung cấp một phương pháp mã hoá rất an toàn cho mọi người sử dụngđồng thời đem lại chất lượng cuộc gọi có thể xem là tuyệt hảo so với hệ thống GSM là hệthống thông tin di động chính được sử dụng tại nhiều nơi trên thế giới hiện nay Côngnghệ này đã chứng minh ưu thế nổi bật trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến bởi nó chophép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ đồng thời một khoảng băng tần mà không gây cannhiễu lẫn nhau, không như các công nghệ trước đây đòi hỏi cấp phát cho mỗi người sửdụng một tần số vô tuyến riêng

Lý thuyết về công nghệ CDMA đã được xây dựng từ những năm 1952 và được áp dụngtrong thông tin quân sự từ những năm 1962 nhờ tính bảo mật cao Cùng với sự phát triểncủa công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã đượcthương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đãđược đề xuất trong hệ thống thông tin Cellular của Qualcomn - Mỹ năm 1990

Công nghệ CDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã và ứng dụng trong kỹ thuậttrải phổ Điều này khắc phục được những nhược điểm của hai công nghệ FDMA vàTDMA trước đó Mặc dù công nghệ CDMA mới phát triển gần đây nhưng sự phát triểncủa nó rất nhanh chóng chỉ riêng địa bàn Châu Mỹ và Châu Á - Thái Bình Dương, đếncuối năm 1995 đã lắp đặt khoảng 11000 trạm gốc Đặc biệt tại một số nước như Mỹ, Nhật

đã đặt công nghệ viễn thông CDMA là hệ thống viễn thông thế hệ thứ 3

Hình 1.1.3

1.2 Tổng quan về kỹ thuật điều chế OFDM

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyềnthống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửiqua một kênh Radio đơn Tuy nhiên nó cho hiệu quả tốt hơn

OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanhtruyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữanhững đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Vớicách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạmđược kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi

sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mangthứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểmsoát tốt hơn can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chống lấp nhau trongmiền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (Inter - Carrie Interference(ICI)) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảngbảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quảphổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kểkhoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệuthông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm vi rộngcác sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sónganalog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: Điều chế tần số(FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), VestigialSide Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chếsóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần

số (FSK), khoá dịch pha (PSK) điều chế QAM

OFDM còn có tên gọi khác là " Điều chế đa sóng mang trực giao" (OMCM- dựa trênnguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyềntrên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT( Centre Commun d'Étude en dédiffution et Téléccomunication) của Pháp phát minhnghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽtrải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế tiêng biệtvới tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc rariêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa

ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả caonhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trựcgiao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoahay chồng phổ

Hình 1.2.1

1.2.2 Đa sóng mang (Multicarrier)

Hình 1.2.2aNếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang ,mỗisóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải trên cả băng thông thì khi chịu ảnhhưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu

mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục lại dữ liệu có ích Điều này tươngđương khi ghép kênh theo tần số (FDM) Do vậy khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bitthấp , nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác Để hồi phục dữ liệu đã mât người ta dùngphương pháp sửa lỗi tiến (FEC- Forwad Error Correction) Ở máy thu mỗi sóng mangđược tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không cócan nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Hình 1.2.2bGiải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém có khi có khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)

là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùnglắp nhau Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn

chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao vớinhau Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM).

Thật ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980 Nhưng do lúc đó cònhạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa sóng mang giáthành thấp theo biến đổi nhanh Fourier (Inverse Fast Fourier Transform- IFFT) nên chotới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp Phương pháp này mớiđược đưa vào thực tiễn

1.2.3 Sự trực giao (orthogonal)

"ORTHOGONAL" chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần sốcủa các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiềusóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách

sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, cáckhoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa cáckhoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng chephủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễugiữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học.Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mangxuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phụchồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân củasóng mang này (trong một chu kỳ symbo; ), thì kết quả tính tích phân các sóng mangkhác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảngcách giữa các sóng là bội số của 1/  Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu bởicác sóng mang ICI (Inter- Carrier- interference) cũng làm mất đi tính trực giao

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthonmal basis)



 i( ) /t i 0,1,  có tính chất sau:

Như vậy   i ( )t  sin(n2 / ,t T cos m( 2 /t T với Tu T1  T11

Ngoài ra có thể biểu diễn trực giao theo hàm phức

Khoảng cách giữa 2 sóng mang trực giao cạnh nhau sẽ là  f 1/Tu

Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức Ví dụ: Nếu tín hiệu là Sin (mx) với m= 1,2… Thì nótrực giao trong khoảng từ  đến 

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số,bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing).Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học,

số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vecto Theo định nghĩa, hai vecto đượcgọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 90o) và tíchcủa 2 vector là bằng 0 Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợpcác tích và nhận được kết quả là 0

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không (VD giá trịtrung bình của hàm sin dưới đây)

Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kếtquả là 0 Quá trình tích phân có thể đựoc xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đườngcong Do đó diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau:

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do

đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.2.3aNếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau Ta nhậnthấy quá trình này cũng bằng 0.

Biên độ

Hình 1.2.3b: Tích phân của hai sóng sin khác tần sốĐiều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóngsin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằngkhông Thông tin này là điểmmấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

Hình 1.2.3c: Tích phân của các sóng sin có cùng tần sốNếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trịtrung bình của nó luôn khác không Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điềuchế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tấn số nhờ dùng kỹthuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain)bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đượctạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha, Sau đó phép tích phân được thựchiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lêntrục x, được tách ra hiệu quả và các giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn

bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả cácsóng mag đã được giải điều chế

Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao

* Từ phân tích trên ta có thể rút ra kết luận:

+ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng nhiềusóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy bị ảnh hưởngkhông lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

+ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để tránhcan nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng cac sóng mangtrực giao, khi đó các sóng mang trực giao có thể trùng lặp nhau mà vẫn không gây cannhiễu

1.2.3.1 Mô tả toán học của OFDM

Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào, máy thu vận hànhnhư thế nào và cũng cung cấp một số công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảotrong kênh truyền

Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dãi thông hẹp được đặtcách nhau chính xác trong miền tần số Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điềuchế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số lượng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ởmáy thu thì phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại

Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:

Sc (t) = Ac (t) ejc c ( )t 

Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t) Cả Ac(t)và c(t) (Biên độ và pha tương ứng củasóng mang) có thể thay đổi trên mỗi Symbol cơ bản Đối với điều chế QPSK, biên độ củasóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điềuchế QPSK thông thường Đối với symbol thứ p, trên khoảng thời gian (p-1) t p,( )

Tất nhiên, đây là một tín hiệu liên tục Nếu dạng sóng của mỗi phần tử tín hiệu trên mộtchu kỳ symbol trên một chu kỳ được xem xét thì các biến số Ac(t) và cvà nhận các giátrị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, và như vậy

có thể viết lại như sau

giống như định nghĩa của tín hiệu trong khoảng tần

số lấy mẫu và S(kinh tế) là một biểu diễn trong miền thời gian

Biểu thức (2) và (3) là tương đương nếu:

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thể xem tậphợp các sóng mang phát đi  m là một mạng trực giao được cho bởi công thức:

Những tín hiệu thì trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao là một thuộc tínhcho phép truyền tín hiệu một cách hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng màkhông có can nhiễu Việc tổn hao tính trực giao làm sút kém kết quả những tín hiệu thôngtin này và giảm phẩm chất thông tin và nhiều sơ đồ ghép kênh trực giao Ghép kênh theothời gian (TDM) cho phép đồng nhất cho mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt Trong mỗi khethời gian chỉ một tín hiệu từ một nguồn đơn thì được, khi truyền ngăn ngừa can nhiễu bất

kỳ giữa nhiều nguồn thông tin Do vậy TDM này trực giao về bản chất Trong miền tần

số, đa số các hệ thống FDM trực giao vì mỗi tín hiệu truyền riêng biệt được để cách lynhau theo tần số để ngăn ngừa can nhiễu

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang nhiều sóng mang, mỗi sóng mangtải một phần dự liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông tin khi chịu ảnh hưởngxấu của đáp tuyến sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất , trên cơ sở mà dữ liệu mà các

sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích Điều này tương đương khighép theo tần số (FDM).

Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit nhất, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thuchính xác Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC-Forward Error Correction) Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọcthông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang(ICI)cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Mặc dù những phương pháp này là trực giao thuật ngữ OFDM đã được dành riêng chomột dạng cho một dạng đặc biệt là FDM Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau,gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng OFDM đạt được trựcgiao trong miền tần số bởi việc sắp xếp mối một trong các tín hiệu thông tin riêng biệtcho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hìnhsin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dãy tần số cơ bản của mỗi tải phụ đựơcchọn là số nguyên lần thời gian symbol Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyêncác chu kỳ trong một symbol Và chúng trực giao với nhau

1.2.3.2 Trực giao miền tần số

Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Trongmiền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin (x)/x) Đó là kếtquả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang Mỗisymbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol nàytương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFTHZ Dạng sóng trong hình chữnhật này trong miên thời gian dẫn đến dáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Dạng sinc

có 1 búp chình hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏitần số trung tâm Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị khôngđược đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trựcgiao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tàiphụ khác Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

1.2.4 Tạo và thu OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tấn số vì khó tạo ra những bank lớn các bộdao động và những máy thu khoá pha trong miền tương tự

Hình 1.2.4 là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi

dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tài phụ Sau đó nó biến đổi biểudiễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo(inverse Discrecte Fourier Tranform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast FourierTransform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, nhưng nó có tính hiệu quả hơnnhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệuOFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được phách lên tần số cần thiết Máy thuthực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để

xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần

số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và chọn biến đổi ngược lại thành

dữ liệu số

Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) là hàm bổ sung vàthuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào liệu tín hiệu đang được thu hoặc đangđược phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữFFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau