Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc độ cao đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THễNG

=====  =====

đồ án

tốt nghiệp đại học

Đề tài:

Nghiên cứu kỹ thuật ofdm

và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

Sinh viờn thực hiợ̀n : nguyễn trọng thởng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:………

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm 2013 Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) MỤC LỤC MỤC LỤC……….… ……… iii

LỜI NÓI ĐẦU……….……….……….vi

TÓM TẮT ĐỒ ÁN……… …… …… ……….….viii

DANH MỤC CÁC BẢNG……… ……….ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……… ……… … …x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……….…… …… …xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM.……….……….…… 1

1.1 Khái niệm về OFDM……… … 1

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM…….…… ……….…………2

1.3 Đơn sóng mang ……….……….5

1.4 Đa sóng mang…… ……… ………7

1.5 Sự trực giao……… ……… … ……9

1.5.1 Trực giao miền tần số ……….……….….…… 10

1.5.2 Mô tả toán học OFDM………….……… ………… 11

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM… ………… ……….16

1.6.1 Điều chế BPSK ……… ……….16

1.6.2 Điều chế QPSK……….……… ……….17

1.6.3 Điều chế QAM ……… ……… 19

1.6.4 Mã Gray 20

1.7 Các ưu, nhược điểm của OFDM ……… 23

1.7.1 Ưu điểm …… ……… ……… ….23

1.7.2 Nhược điểm ……… 23

1.8 Kết luận chương ……… ……… 24

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 25

2.1 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 25

2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation) 25

2.1.2 Hiệu ứng đa đường 25

2.1.3 Dịch Doppler 28

2.1.4 Nhiễu AWGN 29

2.1.5 Nhiễu xuyên ký tự ISI 30

2.1.6 Nhiễu xuyên sóng mang ICI 31

2.1.7 Tiền tố lặp CP 32

2.2 Khoảng bảo vệ 33

2.3 Giới hạn băng thông của OFDM… 34

2.3.1 Lọc băng thông 35

2.3.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR… 36

2.3.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 37

2.4 Kết luận chương 37

CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM………… …….38

3.1.Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM……… ………… …39

3.1.1 Nhận biết khung.……….… 39

3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số.………….……….…………40

3.1.2.1 Ước lượng phần thập phân.……….……….41

3.1.2.2 Ước lượng phần nguyên……… 43

3.1.3 Bám đuổi lỗi thặng dư……… 44

3.2 Đồng bộ ký tự trong OFDM.……….………….……… 46

3.2.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot.………….…… ………….46

3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP………47

3.2.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC).……… 48

3.2.3.1 Nhận biết FSC.……… 49

3.2.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1.……….……….50

3.2.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2.……… 51

3.3 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM……… …….52

3.3.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu.………52

3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang……… ………52

3.3.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot…… ……… 53

3.3.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP………… …… 53

3.3.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu.……….54

3.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFD………55

3.4.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian………55

3.4.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số ….……… ……….56

3.5 Kết luận chương……….……… 58

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……… …….59

4.1.Một số lưu đồ thuật toán của chương trình ………….……….59

4.1.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 59

4.1.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM 60

4.1.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM 61

4.1.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER 62

4.2 Kết quả chương trình mô phỏng 64

4.2.1 So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM)…… ……… …65

4.2.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink…… ….……… 67

4.2.3 So sánh tín hiệu QAM và OFDM.……… …… 71

4.2.4 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM 72

4.3 Kết luận chương 72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……… ………….73

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….…………74

PHỤ LỤC……….….75

LỜI NÓI ĐẦU

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơngiản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax) Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:

-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM

Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM, các khái niệm, nguyên lý cũng nhưthuật toán của OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuậtOFDM

-CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa chọn tần số, dịchDoppler, nhiễu AWGN Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI vàICI trong hệ thống OFDM

-CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM

Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộtrong hệ thống OFDM

-CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM

Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng phần mềmMATLAB

Do có sự hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực của cá nhân nên nội dungcủa đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Em mong cácthầy, cô giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm vào để đồ án này càngđược hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS Lê Thị Kiều Nga đãtận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Qua đây, em cũng xin gửilời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Vinh đãdạy dỗ chỉ bảo em trong suốt khóa học này.

Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2012

Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Thưởng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) cùng với những ứng dụng hữu ích của nó Mục đích của đồ án là trình bàynguyên lý chung, cấu trúc, đặc điểm và vấn đề đồng bộ trong OFDM Đồng thờinêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai.Với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền songsong với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năngchống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điềuchế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Do đó, OFDM đang trở thành côngnghệ được chấp nhận một cách rộng rãi, các chuẩn truyền thông không dây di động

sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Trong đồ án cũng đã trình bày môphỏng bằng phần mềm Matlab thể hiện những đặc tính cơ bản nổi trội của OFDM

so với các phương pháp điều chế khác

ABSTRACT

This thesis was studied orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)technique with its useful applications The purpose of the thesis is intended topresent general principles, structure, characteristics and synchronization in OFDM

It also mentions applications in radio communication system and its developments

in future With advantages such as: high-speed data is transmitted in parallel withthe low-speed on the narrow-band, capable of high spectral efficiency, resistance tofrequency selective fading, modulation and demodulation are simple and efficient

by using IFFT and FFT algorithm Therefore, OFDM technology is becoming morewidely accepted, the mobile wireless communication standard will be used more inthe future In this thesis also presented simulation using Matlab software to presentthe outstanding basic characteristics of OFDM compared with other modulationmethods

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ………16

Bảng 1.2: Các thông số của điều chế QPSK……….19

Bảng 1.3: Bảng Mã Gray………21

Bảng 2.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh……….…27

Bảng 2.2: Các giá trị trải trễ thông dụng……… ….28

Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ……….55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu OFDM……… 1

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau của FDM và OFDM ……… …………2

Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ……… … …3

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM……… ………… …4

Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản……… ………… … … 5

Hình 1.6: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM……… ….…5

Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao ……… … 5

Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM……… 6

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn……… …… 7

Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang……… 7

Hình 1.11: Các sóng mang trực giao……….…10

Hình 1.12: Thêm CP vào symbol OFDM……….12

Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0……….……… 13

Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0………14

Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau………14

Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần số………15

Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK……….17

Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK……… ……… 19

Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM……… …….……… 20

Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray, mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn 21

Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM 22

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 25

Hình 2.2: Tín hiệu đa đường 26

Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz 26

Hình 2.4: Trải trễ đa đường 28

Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 31

Hình 2.6: Mô tả tiền tố lặp 32

Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ 34

Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng 35

Hình 3.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM 38

Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau 40

Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác nhau 42

Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL 45

Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM 47

Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM……… 48

Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC……… 49

Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR……… 50

Hình 3.9: CP trong một symbol OFDM………53

Hình 3.10: Tín hiệu OFDM……… ………54

Hình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian……… …56

Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số……….……… 57

Hình 4.1: Lưu đồ mô phỏng kênh truyền……… …59

Hình 4.2: Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM………60

Hình 4.3: Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM……… ………60

Hình 4.4: Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM……… 61

Hình 4.5: Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM………62

Hình 4.6: Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER……….………63

Hình 4.7: Giao diện của chương trình được đặt tên là “DATN”……… 64

Hình 4.8: Giao diện của chương trình được đặt tên là “mophong”……… ………64

Hình 4.9: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế BPSK……… 65

Hình 4.10: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK……… …65

Hình 4.11: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16QAM……… 66

Hình 4.12: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 64QAM………66

Hình 4.13: So sánh BER của các kỹ thuật điều chế trong OFDM………67

Hình 4.14: Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM……… 69

Hình 4.15: Phổ tín hiệu OFDM truyền……….69

Hình 4.16: Phổ tín hiệu OFDM nhận………69

Hình 4.17: Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền đi……… 69

Hình 4.18: Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận được………70

Hình 4.19: Chòm sao QPSK trước CE……… …70

Hình 4.20: Chòm sao QPSK sau CE……….70

Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số……….71

Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số……… 71

Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng phương thức QAM và OFDM…….……….………….…72

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng Gaussian

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

COFDM Coded Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theotần số trực giao có mã số sửasai

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-T Digital Video Broadcasting

Terrestrial

Truyền hình số quảng bá mặtđất

EBNR Energy per Bit to Noise Ratio Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response (digital

filter)

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin di độngtoàn cầu

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Phép biến đổi Fourier ngược

IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tương hỗ

IF Intermediate Frequency Trung tần

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh

ngược Fourier

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí tự

MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theotần số trực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình

PRS Pseudo Random Sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên

sang nối tiếp

Modulation

Điều chế biên vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

S/P Serial to Parallel Bộ chuyển đổi nối tiếp sang

song song

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây

WOFDM Wide-band Orthogonal Ghép kênh phân chia theo

Frequency Division Multiplexing tần số trực giao băng rộng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM

Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM Các phương thức cơ bản, sự trực giao, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM như: BPSK, QPSK, QAM Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được trình bày ở đây

1.1 Khái niệm về OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Hình 1.1 Phổ của tín hiệu OFDM [1]

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta có thể liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứng khác nhau đối với nhiễu Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM)hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có

¼ hàng hóa bị mất

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau giữa FDM và OFDM

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảngthời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta

có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng

kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mangtùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao.Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được 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 mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với

Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)

và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

x(n) x f (n) h(n)

y f (n) y(n)

Ước lượng kênh

Chèn khoảng bảo vệ

Loại bỏ khoảng bảo vệ

nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này

chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có

khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDMĐầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ S/P (Serial/Parrallel – Bộ chuyển đổi nối tiếp/song song) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến

(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưađến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng

bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao đểtruyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy

vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các

Điềuchế

Giảiđiề

u

Giảiđiềuchế ở f1

Giảiđiềuchế ở

Điềuchế

ở fN-1

Điềuchế

ở f0

Điềuchế

ở f1

P/S

SN-1

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm

vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: FM (Frequency Modulation- điều chế tần số), AM (Amplitude Modulation- điều chế biên độ), PM (Phase Modulation- điều chế pha) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơnchung cho thông tin số gồm: ASK (Amplitude Shift Keying- khoá dịch biên độ), FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoá dịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc)

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên

nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với

kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao [3]

Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]

1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn [5]

Hình 1.9 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng 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 dữ liệu có ích

Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [5]

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu

được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗitiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyềnsong song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thểtận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,… Để làm được điềunày, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điềuchế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là khôngthể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổiIDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điềuchế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việcbiến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thựchiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗisóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng:

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

)) ( ( 2 1 0

1 )

l

k l,k e s a

N-N t





Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k

trong symbol OFDM thứ l

L : chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

s

NT T

1 1



Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn

1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của cácsóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóngmang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lạibằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máynhư vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao làmột đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (Multiple Information Signal) đượctruyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra

mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo

ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu vàlàm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được

định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên,

có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về

mặt toán học Máy thu hoạt động 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 phục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero) Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Hình 1.11: Các sóng mang trực giaoPhần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ

bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi

là CP (Cycle Prefix - tiền tố lặp)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc

xử lý băng tần gốc

1.5.1 Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của

nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin

(x)/x) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang

Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần

số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

1.5.2 Mô tả toán học của OFDM

Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

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

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:

)

).

(

1 ) (

N n

t t j c

N t

(1.2)Trong đó:  = 0 + n.

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:

0

.

1 )

n

n kT n j n

N kT

(1.3)

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn

để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu Ta có mối quan hệ:

 = N.TKhi 0 = 0 thì ta có:

) (

.

1 )

n

kT n j j n

N kT

/ 2

1)

n

N nk j

e NT

n G N kT

Biểu thức (1.4) và (1.5) là tương đương nếu:



1 1

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

) exp(

) (t j k t



k  0  2  k t (1.7)Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong biểu thức (1.1):

/ ) ( 2

dt

e j p q b

khi p =q và (b-a) = τ

(1.8)Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/, đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn 

Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao cho phéptruyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng cáchiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ Dải tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol Kết quả là các tải phụ có một

số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T cp Lúc này tín hiệu đượcbiểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:

)

( N

t x

t

s (1.9)

Ở đây Ф k (t)tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao

t kf j k

w f

CP

T T

) , 0 [ 1

)

(

) (

T t

T t e

T T t

CP

T t kf j CP k

k l

x t

Hàm số thông thường có giá trị bằng 0

Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:

Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0

0 dt ) t sin(

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đườngcong Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau,kết quả cũng sẽ bằng 0

Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau

Biênđộ

Biênđộ

Điều này gọi là tính trực giao của sóng sine Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 Đây là cơ sở để hiểu quá trình điều chế OFDM

Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần

số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

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 nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

-Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu

Biênđộ

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chếtrong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M

và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự a n , b n có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16QAM và {±1} cho QPSK

Bảng 1.1: Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng để

biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:

] ) ( 2

cos[

2 )

T

E t

b

b i

 (t)  (i 1 )  ; 0 tT b;i 1 , 2 (1.10) Hay: 1( )  2 cos[ 2 f t  ]

T

E t

b b

] 2

cos[

2 )

( ]

2 cos[

S t

f T

b

Trong đó,

T b : Độ rộng của 1bit

E b : Năng lượng của 1 bit

θ (t): góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu đốicực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

b c

T

 ( ) 2 cos( 2  ); 0Khi đó, S1(t)  E b (t)

S2(t)   E b (t) (1.12)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với

hai điểm bản tin (M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình sau:

Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSKKhi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:

T t t

t T

E t

0 0

) ) ( 2 cos(

.

2 ) (    (1.14)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

4 ) 1 2 ( )

 t  i (1.15)

Trong đó,

i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.

Khai triển s(t) ta được:

0

;

)0

()2sin(

.4)]

12sin[(

2)2cos(

]4)

1.2cos[(

T t t

f i

T

E t

f i

πkf T

t

Φ1( )   2 sin( 2 c ) 0   (1.17a)

T t t

πkf T

t

Φ2( )  2sin( 2 c ) 0   (1.17b)Khi đó,

] 4 ) 1 2 cos[(

) ( ] 4 ) 1 2 sin[(

) ( )

(t  1 t E i   2 t E i 

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:

)4,3,2,1(4

)12cos[(

]4)12sin[(

E

i E s

Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E , còn logic '0' thì biến đổi vào

E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng

Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:

1( ) 2 0 cos( 2 ) 2 0 b sin( 2 f t); ( 0 t T)

T

E t

f a

T

E t

Trong đó, E 0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

a i , b i : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tậphợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc".

Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:

T t t

πkf b

T t

Φ1( )   2 isin( 2 c.) 0  

T t

Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK,8-PSK,16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM )

Bảng 1.3: Bảng Mã Gray

1,0,1,01,1,1,0

1,1,1,11,1,0,1

1,1,0,00,1,0,00,1,0,10,1,1,1

0,1,1,0

Imaginary

Real

Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM [4]

1.7 Các ưu, nhược điểm của OFDM

Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế

1.7.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệucũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơnsóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trựcgiao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.

1.8 Kết luận

Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lêntín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên

độ, có thể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất… Chương sau sẽ đề cậpđến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN

VÔ TUYẾN

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máythu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyềntheo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thayđổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượngcủa hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

2.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trìnhtruyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do cáctòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làmsuy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suygiảm tín hiệu

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến

2.1.2 Hiệu ứng đa đường

 Rayleigh fading

Máy bayĐồi núi

Nhà cao tầng

Cây cối

Phía phát

Xe cộPhía thu