Nghiên cứu và mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin OFDM (MCOFDM) với điều chế đa tần trực giao bằng IDFTDFT

MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CÁC TỪ VIẾT TẮT 5 LỜI NÓI ĐẦU 6 Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin 8 1.1.Tổng quan 8 1.1.1. Lịch sử phát triển của thông tin điện tử 9 1.1.2.Thông tin tương tự và thông tin số 10 1.1.3.Truyền tin số 12 1.1.4. Kênh truyền tin 13 1.2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số 15 1.3.Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số 20 1.4.Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang 22 1.5.Các phương pháp điều chế số 24 1.6.Tổng kết chương 25 Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng kĩ thuật điều chế 26 2.1.Tổng quan hệ thống OFDM 26 2.1.1. Khái niệm 26 2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM 26 2.1.3. Các nguyên lí cơ bản của OFDM 28 2.2. Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 30 2.2.1. Sự trực giao trong OFDM 30 2.2.2. Kĩ thuật ghép kênh theo tần số trực giao 31 2.2.3. Truyền dẫn đa sóng mang 32 2.2.4. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 33 2.3. Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 39 2.3.1 Nhiễu ISI và cách khắc phục 39 2.3.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục 40 2.4. Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống 41 2.4.1.Ước lượng tham số kênh 41 2.4.2.Đồng bộ trong OFDM 42 2.4.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) 44 2.5. Ưu điểm hệ thống OFDM 45 2.6.Nhược điểm hệ thống OFDM 46 2.7.Tổng kết chương 46 Chương 3: Nghiên cứu phép biến đổi DFTIDFT 47 3.1. Phép biến đổi Fourier 47 3.2. Thuật toán biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu rời rạc (FT : Fourier Tranform) 48 3.2.1. Định nghĩa 48 3.2.2. Các phương pháp biểu diễn 48 3.2.3. Điều kiện để tồn tại biến đổi Fourier 49 3.3. Thuật toán biến đổi Fourier nhanh ngược ( IFT : Inverse Fourier Tranform ) 50 3.4. Các tính chất cơ bản của FT 51 3.4.1. Tính chất tuyến tính 51 3.4.2. Tính chất trễ 51 3.4.3. Vi phân trong miền tần số 52 3.4.4. Trễ tần số 52 3.4.5. Tích chập của hai dãy 52 3.4.6. Tích của hai dãy 52 3.5. Ứng dụng của phép biến đổi Fourier 52 3.6. Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Matlab 53 3.6.1. Giới thiệu chung về phần mềm matlab 53 3.6.2. Hệ thống Matlab 54 3.6.3. Làm quen với Matlab 55 3.6.3. Các cửa sổ làm việc trong Matlab 56 3.6.4. Thanh công cụ trong Matlab 59 3.6.5. Các thao tác trong Matlab 60 Chương 4: Chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM bằng Matlab 68 4.1. Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM điều chế đa tần trực giao bằng IDFTDFT 68 4.2. Nguyên lí hoạt động và các dạng tín hiệu trong hệ thống OFDM điều chế đa sóng mang trực giao IDFTDFT 69 4.2.1. Mô phỏng tín hiệu phía phát của hệ thống OFDM 69 4.2.2. Mô phỏng tín hiệu phía thu của hệ thống OFDM 72 4.2.3. Mô phỏng tín hiệu bị tác động bởi nhiễu trắng AWGN trên kênh truyền. 75 4.3. Kết luận chương 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 78 Tài liệu tham khảo 79

LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng cảm ơn giảng viên ThS Phan Thị Thu Hằng đã giới

thiệu, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án này

Em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em

trong suốt quá rình học tập và hoàn thành chương trình đào tạo

Để hoàn thành đồ án này ngoài ngoài nỗ lực của bản thân, yêu cầu về thờigian và năng lực là cần thiết Bước đầu làm quen với công tác nghiên cứukhoa học, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được

ý kiến đóng góp của quý các thầy cô giáo để em bổ sung kiến thức cho bảnthân

Em xin trân trọng cảm ơn!!!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Huyền Trang

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin 8

1.1.Tổng quan 8

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử 9

1.1.2.Thông tin tương tự và thông tin số 10

1.1.3.Truyền tin số 12

1.1.4 Kênh truyền tin 13

1.2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số 15

1.3.Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số 20

1.4.Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang .22

1.5.Các phương pháp điều chế số 24

1.6.Tổng kết chương 25

Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng kĩ thuật điều chế 26

2.1.Tổng quan hệ thống OFDM 26

2.1.1 Khái niệm 26

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 26

2.1.3 Các nguyên lí cơ bản của OFDM 28

2.2 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 30

2.2.1 Sự trực giao trong OFDM 30

2.2.2 Kĩ thuật ghép kênh theo tần số trực giao 31

2.2.3 Truyền dẫn đa sóng mang 32

2.2.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 33

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 39

2.3.1 Nhiễu ISI và cách khắc phục 39

2.3.2 Nhiễu ICI và cách khắc phục 40

2.4 Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống 41

2.4.1.Ước lượng tham số kênh 41

2.4.2.Đồng bộ trong OFDM 42

2.4.3 Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) 44

2.5 Ưu điểm hệ thống OFDM 45

2.6.Nhược điểm hệ thống OFDM 46

2.7.Tổng kết chương 46

Chương 3: Nghiên cứu phép biến đổi DFT/IDFT 47

3.1 Phép biến đổi Fourier 47

3.2 Thuật toán biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu rời rạc (FT : Fourier Tranform) 48

3.2.1 Định nghĩa 48

3.2.2 Các phương pháp biểu diễn .48

3.2.3 Điều kiện để tồn tại biến đổi Fourier 49

3.3 Thuật toán biến đổi Fourier nhanh ngược ( IFT : Inverse Fourier Tranform ) 50

3.4 Các tính chất cơ bản của FT 51

3.4.1 Tính chất tuyến tính 51

3.4.2 Tính chất trễ 51

3.4.3 Vi phân trong miền tần số 52

3.4.4 Trễ tần số 52

3.4.5 Tích chập của hai dãy 52

3.4.6 Tích của hai dãy 52

3.5 Ứng dụng của phép biến đổi Fourier 52

3.6 Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Matlab 53

3.6.1 Giới thiệu chung về phần mềm matlab 53

3.6.2 Hệ thống Matlab 54

3.6.3 Làm quen với Matlab 55

3.6.3 Các cửa sổ làm việc trong Matlab 56

3.6.4 Thanh công cụ trong Matlab 59

3.6.5 Các thao tác trong Matlab 60

Chương 4: Chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM bằng Matlab 68

4.1 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM điều chế đa tần trực giao bằng IDFT/DFT 68

4.2 Nguyên lí hoạt động và các dạng tín hiệu trong hệ thống OFDM điều chế đa sóng mang trực giao IDFT/DFT 69

4.2.1 Mô phỏng tín hiệu phía phát của hệ thống OFDM 69

4.2.2 Mô phỏng tín hiệu phía thu của hệ thống OFDM 72

4.2.3 Mô phỏng tín hiệu bị tác động bởi nhiễu trắng AWGN trên kênh truyền 75

4.3 Kết luận chương 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 78

Tài liệu tham khảo 79

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

SNR Signal-to-Noise Ratio Số bit trên một ký hiệu

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân vuông góc

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế biên độ

FSK Frequency Shift Keying Điều chế tần số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự

OFDM Orthogonal Frequency Division

Modulation

Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoatiêu

QAM Quadrature Amplitude

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từnơi này tới nơi khác Theo xu thế phát triển của viễn thông hiện nay thì việcthay thế toàn bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số là rấtcần thiết Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin số đã trở thành nộidung quan trọng trong chương trình đào tạo của ngành Điện Tử - Viễn Thông Các dịch vụ viễn thông càng phát triển thì nhu cầu cho các hệ thống truyềndẫn thông tin càng lớn Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng dịch vụ làrất cao xong cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện Trước yêu cầu đó thì

hệ thống thông tin sử dụng kĩ thuật đa sóng mang trực giao được coi là giảipháp tiên tiến để giải quyết vấn đề trên

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phươngpháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chấtlượng thấp OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đườngdây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các ưu điểmcủa mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnhvực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động,Wireless ATM …

OFDM nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật nàyphân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mangkhác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệutốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệutốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóngmang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữacác sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả Ngoài ra sửdụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật khác, do đó

các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao

và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Bên cạnh những lợi ích rất lớn của OFDM, thì mặt hạn chế của nó là vấn

đề lỗi đồng bộ (SFO,CFO) và kênh truyền biến đổi theo thời gian Hoạt độngcủa OFDM rất nhạy với lỗi đồng bộ ở bộ thu Lỗi đồng bộ tạo ra nhiễu giaothoa liên sóng mang (ICI), nó sẽ phá hủy tính trực giao giữa các sóng mangOFDM

Trong đồ án này đã tập trung nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn đa sóng

mang trực giao và “Nghiên cứu và mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin OFDM (MC-OFDM) với điều chế đa tần trực giao bằng IDFT/DFT”.

Nội dung chính bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin

Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (MC-OFDM).

Chương 3: Nghiên cứu phép biến đổi DFT/IDFT và phần mềm mô phỏng Matlab.

Chương 4: Chương trình mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM bằng Matlab.

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin

1.1.Tổng quan

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đếnnơi khác Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin tới bộ nhận tin dưới dạng cácvăn bản Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó.Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứngchúng có nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với các nguồn tin liên tục, cácbản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể

là một tập hữu hạn

Biểu diễn vật lí của một bản tin được gọi là tín hiệu Có nhiều loại tín hiệukhác nhau tùy thuộc đại lượng vật lí được sử dụng để biểu diễn tín hiệu nhưcường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… Tùy theo dạng tín hiệuđược sử dụng để truyền tải tin tức trong các hệ thống truyền tin là các tín hiệutương tự (analog) hay các tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thốngthông tin tương tự hay hệ thống thông tin số

Hình vẽ dưới đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tinnói chung

Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin chung

Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúngđược đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trườngtruyền Như vậy thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin làphương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc traođổi, xử lí, cảm nhận…bởi con người hay máy móc

Thiết bị

Môi trường truyền

Thiết bị phát

Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao… nên ở đầuthu ta nhận được tín hiệu thu có thể khác biệt so với tín hiệu phát Sau khiđược giải điều chế ở thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ đượcc đưa tới thiết

bị ra để lấy ra thông tin có ích

1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử

Trong suốt lịch sử phát triển của loài người, việc phát minh ra ngôn ngữ làcuộc cách mạng truyền thông lớn nhất Sau đó ít lâu đã phát minh ra tín hiệubăng lửa có khả năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa

Cuộc phát minh lớn nữa của con người là làm thế nào để ghi lại suy nghĩ và

tư tưởng của mình bằng chữ viết Với khả năng này con người có thể truyểnthông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian Đồng thời đã đưa

ra các dịch vụ đưa thư và điện báo

tin

1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc Stronger Tương tự

1907 Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên Usa Tương tự

1918 Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần Amstrong Tương tự

1928 Giới thiệu các dạng truyền hình điện tử Farnsworth Tương tự

1937 Giới thiệu ra-đa(vô tuyến định vị) Kuhnold Tương tự

1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá Reeves Số

1974 Internet CCITT Số

1.1.2.Thông tin tương tự và thông tin số

Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tạikhông xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồntin sinh ra Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tínhiệu là một hàm liên tục hay rời rạc theo thời gian Ví dụ: tín hiệu điện thoại ởlối ra của micro là tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM củachính tín hiệu lối ra micro nói trên là tín hiệu analog rời rạc

Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số ( các kí hiệu gọi tắt

là các symbol) Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị và có thời giantồn tại xã định thường được gọi là hằng số kí hiệu là Ts

So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số

ưu điểm sau:

- Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự li nhấtđịnh nên tạp âm tích lũy có thể được loại trừ, tức là các tín hiệu số khỏehơn đối với tạp âm so với tín hiệu tương tự

Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được táitạo lại thành biên độ và dạng sóng như ban đầu Quá trình được thựchiện qua bộ lặp số

………….

Trong đó: : nhiễu : bộ lặp số : méo

Hình 1.2: Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp

- Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử líhiện đại, nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tựđộng cao độ

- Tín hiệu số có thể dễ dàng truyền các loại bản tin rời rạc hay liên tục,tạo tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền đưa các loạidịch vụ hay số liệu thành một mạng duy nhất

Nhược điểm của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự làphổ của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ tínhiệu analog Tuy nhiên trong tương lai khi các kĩ thuật số hóa phát triển thìphổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục

1.1.3.Truyền tin số

Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dụngmột số hữu hạn các dạng sóng để truyền tin Mỗi dạng sóng truyền trong mộtkhoảng thời gian xác định gọi là chu kì kí hiệu và là đại diện truyền của một

dữ liệu tin ( hay một tổ hợp bit) còn gọi là báo hiệu (signalings) Kỹ thuật này

có ưu điểm nổi bật là: chống nhiễu trên đường truyền tốt (vì nếu nhiễu không

đủ mạnh mẽ sẽ không thể làm méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gâynên nhầm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải số hóa ( biểudiễn chỉ bằng một số hữu hạn các kí hiệu) Ví dụ văn bản Tiếng Việt dùng 24chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi

là sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này có thể điều khiển được) So sánh với kĩthuật truyền tin tương tự , ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do

dùng vô số dạng sóng ( tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽlàm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số khi quyết định ở nơi thu mà ở góc độnào đó khó điều khiển được Ngoài ra, việc số hóa kĩ thuật truyền tin còn tạonên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm

và tạo ra các dịch vụ chưa từng có trong truyền hình tương tự Bên cạnh đó thì

kỹ thuật truyền tin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra truyềnhình màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kĩthuật điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kĩ thuật tương tự

Khi vận dụng lí thuyết thông tin vào truyền hình số thường có những vấn

đề sau đây đặt ra:

- Bản tin phải được biểu diễn ( mã nguồn) với một số ít kí tự nhất, theo

mã nhị phân thì tức cần ít bit nhất Lý thuyết thông tin cho một giới hạndưới về một số bit tối thiểu cần để biểu diễn Tức là nếu ít hơn số bit tốithiểu không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo bản tin)

- Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ xung thêm các bit dư thừa), màđiều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin( gọi là kĩ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên vềtốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dungnăng kênh quy định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỉ số tín hiệutrên tạp âm:

Trong đó: B là độ rộng băng tần kênh truyền

S/N là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm

C là giới hạn trên đối với tốc độ truyền tin cậy (b/s)

Đơn vị : (bit/s)

Công thức trên cho ta thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR Đồng thời cả

3 yếu tố: công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia quy định mức

độ “nhanh” của truyền tin Công suất phát đi càng lớn, thì càng truyền tin đi

xa Băng tần truyền dẫn càng rộng thì tốc độ thông tin càng nhanh và cuốicùng càng ít can nhiễu và ít lỗi truyền tin xảy ra.

Đây là công thức rất điển hình đặc trưng cho một hệ thống truyền số

1.1.4 Kênh truyền tin

Kênh truyền tin ta nói đến ở đây là môi trường vật lí để truyền sóng điện từmang tin, là vấn đề trung tâm của một hệ truyền tin Nó xác định dung lượngtruyền thông tin của hệ thống cũng như chất lượng dịch vụ truyền tin

Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: + Đường điện thoại

1 Đường điện thoại di động:

Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới hạn, thích hợp chotruyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải ( độ rộng từ 300-3100Hz) có tỉ sốtín hiệu trên tạp âm sấp xỉ 30dB Kênh truyền này có đáp ứng độ lớn tần sốbằng phẳng, không chú ý đến đáp pha theo tần số ( do tai người không nhạyvới trễ pha), song khi truyền ảnh hay dữ liệu thì phải chú ý đến điều này vàcần dùng bộ cân bằng thích nghi kết hợp phương pháp điều chế có hiệu suấtphổ cao

2 Cáp đồng trục

Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện có vỏ xung quanh, vỏ cũng là vật liệudẫn điện Cáp đồng trục có hai ưu điểm lớn là độ rộng băng tần lớn và chốngđược can nhiễu từ bên ngoài Song cáp trục cần những bộ phát lặp gần nhau

vì suy giảm nhanh ( ở tốc độ khoảng 274Mb/s thì khoảng cách lặp là 1km)

3 Sợi quang

Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh đồng tâm có

hệ số phản xạ nhỏ hơn một chút Tính chất cơ bản của sợi quang là khi tiasáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường có hệ số phản xạthấp thì sẽ bị lệch về phía môi trường có hệ số phản xạ cao, nên ánh sángđược truyền đi trong sợi quang

Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng Dùng tần số sóngmang ánh sáng khoảng 2.1014 Hz sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10%= 2.1013 Hz.Mất mát trong sợi quang nhỏ: 0,2 dB/km và không chịu ảnh hưởng của giaothoa sóng điện từ

4 Kênh vi ba

Hoạt động ở dải tần 1-30 GHz cho 2 anten nhìn thấy nhau Anten phảiđặt ở vị trí có độ cao đủ thỏa mãn điều kiện có thể coi là tĩnh, kênh truyền này

tin cậy Tuy nhiên khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làm giảm chấtlượng đường truyền.

5 Kênh di động

Đây là kênh kết nối với người dùng di động Kênh có tính chất tuyếntính thay đổi ttheo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên sự đồng pha,hoặc ngược pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng suy giảm.Đây là loại kênh phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến

6 Kênh vệ tinh

Độ cao vệ tinh địa tĩnh 22300 dặm ( 30 000 km) Tần số thường dùngcho phát lên là 6Ghz và phát xuống là 4Ghz Độ rộng băng tần của kênhtruyền lớn cỡ 500MHz chia thành các dải do 12 bộ phát trong vệ tinh đảmnhiệm, mỗi bộ phát dùng 36MHz truyền được ít nhất một chương trình truyềnhình màu, 1200 mạch thoại, tốc độ dữ liệu ít nhất 50Mbit

Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tính chấtsau:

- Kênh tuyến tính hay phi tuyến : Kênh điện thoại là tuyến tính trong khikênh vệ tinh thường là phi tuyến ( trừ một số trường hợp ngoại lệ)

- Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến trong khikênh di động là thay đổi theo thời gian

- Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại làkênh băng tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giớihạn

1.2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số

Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệttheo tần số hoạt động, môi trường truyền dẫn Tùy theo loại hệ thống thôngtin số thực tế, hàng loạt các chức năng xử lí tín hiệu số khác nhau có thể được

sử dụng nhằm truyền đưa các tín hiệu số một cách có hiệu quả Các chức năng

xử lí tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống Mỗi

khối mô tả một thuật toán xử lí tín hiệu Sơ đồ khối tiêu biểu của một hệthống thông tin số được mô tả dưới đây thể hiện tất cả các chức năng xử lí tínhiệu chính nhất có thể có của hệ thống thông tin số hiện nay.

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số

Chức năng các thành phần và các khối trong hệ thống:

1 Nguồn tin

Nguồn tin là nơi sản sinh ra tin:

- Nếu tin tức là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc

- Nếu tin tức là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục

- Ví dụ : thoại, audio, video, dữ liệu

2 Máy phát

- Là thiết bị biến đổi tin tức thành tập tín hiệu tương ứng

- Chuyển phổ tín hiệu từ trung tần lên cao tần

- Lọc để loại bỏ nhiễu

- Khuếch đại tín hiệu để bù trừ suy hao

- Bức xạ tín hiệu vào môi trường truyền

3 Đường truyền tin

- Là môi trường vật lí, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máythu Trên đường truyền có những tác động làm mất năng lượng, thôngtin của tín hiệu

- Ghi giữ tin ( ví dụ: bộ nhớ máy tính, băng ghi âm, ghi hình )

- Biểu thị tin: làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ phậncảm biến của máy thu cảm thụ được để xử lí tin ( ví dụ: băng ghi âm,chữ số, hình ảnh )

- Xử lí tin: biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng Chức năng này cóthể được thực hiện bởi con người hoặc máy

6 Kênh truyền tin

- Là tập hợp các kĩ thuật thiết bị phục vụ cho việc truyền tin từ nguồnđến nơi nhận tin

9 Mã hóa nguồn và giải mã nguồn

- Tin tức có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền đi, nhưng trongthực tế, tin này thường được biến đổi rồi đưa vào kênh truyền Ví dụ:

tin là một văn bản chữ, nguồn tin có 40 kí tự (symbol) khác nhau, gồmcác mẫu alphalet, con số, dấu chấm câu về nguyên tắc ta có thể sửdụng 40 dạng sóng điện áp khác nhau để biểu thị 40 kí tự này Tuynhiên, phương pháp này quá khó để thực hiện hay không thể thực hiệnđược vì:

+ Kênh truyền không phù hợp về mặt vật lí để có thể mang nhiều kí tựkhác nhau

+ Dải tần yêu cầu sẽ rất rộng

+ Việc lưu trữ hay xử lí tín hiệu trước khi truyền sẽ rất khó, trong khi nếuchuyển sang nhị phân thì mọi việc sẽ dễ dàng hơn

Vậy ta thấy cần phải thay đổi dạng của tín hiệu ban đầu do nguồn cungcấp Công việc thay đổi dạng tín hiệu này được gọi là mã hóa ( encoding)

Mã hóa nguồn nhằm loại bỏ độ dư thừa trong các kí tự dùng để mãhóa, làm cho việc truyền và lưu trữ thông tin trở nên hiệu quả hơn

10.Mã hóa mật và giải mã mật

- Thực hiện mã hóa và giải mã chuỗi bít theo một khóa xác định nhằmbảo mật tin tức

11.Mã hóa kênh và giải mã kênh

- Nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn

12.Ghép kênh và phân kênh

- Tập hợp các tín hiệu từ băng gốc số và phân chia tín hiệu số từ tín hiệubăng gốc số Thực hiện việc truyền tin từ nguồn tin khác nhau tới cácđích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn

13.Điều chế và giải điều chế

- Tác động lên các dòng xung nhị phân để thông tin nó mang có thểtruyền qua một thiết bị vật lí nào đó, ở một tốc độ nào đó, với độ méo

có thể chấp nhận được, trong dải tần xác định hay được phân bố

- Bộ điều chế có thể thay đổi các mức điện áp riêng lẻ, các bit, sửa dạngxung tín hiệu lọc để giới hạn độ rộng dải thông và cần thay đổi phù hợpvới băng tần cho phép Vì vậy đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu số ởdải gốc trong khi đầu ra thường là dạng sóng thông giải.

- Bộ giải điều chế bên thu chuyển đổi từ dạng sóng thu được thành tínhiệu ở dải gốc

14.Trải phổ

- Cơ sở của kĩ thuật trải phổ cũng dựa trên định lí về thông lượng kênhcủa Shannon-hartley

- Khi phổ rất lớn với cùng một dung lượng kênh, người ta có thể truyền

dữ liệu với tỉ lệ lỗi rất thấp Nhờ kỹ thuật trải phổ ta có thể phát tín hiệuvới công suất nhỏ nhằm mục đích che giấu tín hiệu vào trong nhiễu,nhờ đó đối phương không phát hiện được khi nào thì truyền tin Kỹthuật này dùng mã ngẫu nhiên để trải phổ nên rất khó để giải mã thôngtin

- Đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ:

+ Phổ rộng

+ Độ bảo mật thông tin cao

+ Cho phép chống fading đa đường rất tốt

15.Đa truy nhập

- Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng

hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu

16.Lọc để hạn phổ

- Loại bỏ năng lượng thấp để chống nhiễu cho hệ thống bên cạnh và lọcthích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gay bởi đường truyền

+ Trộn để đưa tín hiệu lên tần số công tác

+ Khuếch đại công suất để bù đắp tổn hao của môi trường

+ Bức xạ ra môi trường

17.Đồng bộ

- Bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ sóng mang đối với các hệ thốngthông tin liên kết

- Các khối tương ứng ở phía thu thực hiện ngược lại ở phía phát

- Đối với hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như một bộ nãocủa con người Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đốivới mọi hệ thống thông tin

1.3.Các tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số

Trong viễn thông, khi truyền thông tin có hai hạn chế : hạn chế về mặt dảithông và hạn chế về tạp âm Phải có một dải thông đủ rộng để truyền đượcthông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các hệ thống thông tin trong thờigian thực Tuy nhiên nếu dải thông quá lớn sẽ gây lãng phí băng tần mà băngtần là một nguồn tài nguyên quý giá vô hạn Mặt khác các yếu tố cơ bản tácđộng tới quá trình truyền dẫn tín hiệu số trên các loại kênh truyền dẫn là luônxảy ra như: xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ, saipha sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng dopler do các máy đầu cuối thu, phát diđộng so với nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễu kênhlân cận

Đối với hệ thống thông tin số, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống làxác suất lỗi bit (BER) và Jintter ( rung pha hay trôi pha) Tùy thuộc vào từngloại dịch vụ mà các hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau về BER vàJitter

BER (Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bit nhận bị lỗi trêntổng số bit đã truyền trong một khoảng thời gian xác định Khi thời gian quansát tiến đến vô hạn thì tỉ lệ này tiến tới xác suất lỗi bit

Trong thực tế thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỉ lệ lỗi bit chỉgần bằng với xác suất lỗi bit, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế người

ta cũng xem BER là xác suất lỗi bit Trong nhiều trường hợp, ứng với các loạidịch vụ nhất định, các tham số phát sinh về độ chính xác truyền tin thường

được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng Trong một số hệ thống thông tin số

sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại diđộng thì độ chính xác truyền tin cũng được thể hiện qua tham số chất lượngtiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ

Khả năng truyền tin nhanh chóng của hệ thống thông tin số thường đượcđáng giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống Dung lượng của hệ thốngtùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế và mức độ tạpnhiễu…

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trịtrong một tập hợp hữu hạn các giá trị và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tậpcác giá trị bao gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống đó được gọi là nhị phân vàtín hiệu khi đó được gọi là bit Khi số giá trị có thể có là M (M # 2) thì hệthống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là kí hiệu (symbol) Gọi giá trị của symbol thứ k là D và thời gian tồn tại của nó là T

Ở đầu thu tín hiệu khôi phục là D1 và độ rộng là T1

Nếu D1 # D thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi.

Nếu T1 # T thì tín hiệu thứ k được gọi là có Jitter

Đối với hệ thống nhị phân, BER được định nghĩa là:

BER = P ( D1 # D) với P là xác suất

Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì P được gọi là tỷ lệ lỗisymbol

+ Đối với các hệ thống truyền tín hiệu thoại, yêu cầu BER < 10-6 và do thọi ítnhạy với Jitter nên có thể cho phép Jitter khá cao

+ Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều xung mã (PCM) thì BER đòihỏi cũng như tín hiệu thoại song cần chú ý tốc độ của truyền hình là khá cao.Khi sử dụng ADPCM (điều chế xung mã vi sai tự thích nghi) để truyền tín

hiệu truyền hình thì yêu cầu BER < 10-9, thậm chí yêu cầu BER < 10-12 Nóichung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với Jitter.

+ Đối với truyền số liệu thì BER từ 10-11 – 10-13

Khi BER > 10-13 thì hệ thống được xem như là gián đoạn vì khi đó dịch vụtelex là loại hình dịch vụ cho phép truyền dẫn kém nhất cũng không thểtruyền được

Trên thực tế người ta còn sử dụng một số thông số như các chỉ tiêu về xácsuất gián đoạn thông tin, các chỉ tiêu tỉ số lỗi thấp, chỉ số lỗi cao, các chỉ tiêucác giây không lỗi trong một thời gian dài, các chỉ tiêu đột biến, tính khả dụngcủa hệ thống…để đánh giá chất lượng hệ thống

1.4.Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang

Thuật ngữ băng cơ sở chỉ miền tần số của tín hiệu bản tin và thường đó làtín hiệu băng thông thấp Tín hiệu băng cơ sở có thể ở dạng số hoặc tương tự

Ví dụ tín hiệu ở lối ra của máy tính có thể coi là tín hiệu số băng cơ sở

Để truyền dẫn tín hiệu bản tin phải chuyển thành tín hiệu phát có tính chấtphù hợp với kênh truyền

Trong truyền dẫn băng cơ sở, băng tần kênh hỗ trợ phù hợp với băng tầntín hiệu bản tin, nên có thể truyền trực tiếp tín hiệu bản tin,

Trong truyền dẫn băng thông dải, băng tần của kênh có tần số trung tâmlớn hơn nhiều tần số cao nhất của tín hiệu bản tin Khi đó tín hiệu được phát

đi là tín hiệu băng thông dải (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tínhiệu bản tin Việc tạo ra tín hiệu băng thông dải được gọi là điều chế

Sóng mang với tần số thích hợp có thể truyền đi xa trong môi trườngtruyền dẫn (như dây đồng, cáp đồng trục, khoảng không….) Dựa trên việcbiến đổi các tham số của sóng mang (biên độ, tần số, pha) mà thông tin có thểtruyền đi xa theo yêu cầu truyền tin được gọi là kỹ thuật điều chế sóng mang

Sau khi điều chế tín hiệu tin tức ở vùng tần số thấp sẽ được truyền lên vùngtần số cao để truyền đi xa.

Hình 1.4: Sơ đồ điều chế sóng mang

Khi truyền tín hiệu đi xa, do ảnh hưởng của đường truyền và các tác độngkhông mong muốn tham gia vào quá trình xử lí và truyền dẫn tín hiệu nên cầntốn một năng lượng nhất định Để xây dựng một hệ thống số với xác suất nhấtđịnh cho trước, với dung lượng truyền dẫn theo yêu cầu nào đó thì cần lưu ýrằng độ rộng băng tần sử dụng và công suất tín hiệu là hai tham số ngượcnhau Nếu sử dụng băng tần nhỏ để tăng dung lượng hệ thồng thì phải tăngcông suất tín hiệu, ngược lại nếu muốn công suất tín hiệu nhỏ thì băng tầntruyền dẫn phải lớn Công suất tín hiệu phải nhỏ nhất là một trong những tiêuchí truyền dẫn Mặt khác, băng tần truyền dẫn là một tài nguyên quý hiếm cầnphải chia sẻ cho nhiều người dùng cùng sử dụng nên việc hạn chế băng tần tốithiểu cho mỗi hệ thống cũng là một tiêu chí tối ưu Bài toán tối ưu của hệthống truyền dẫn số xác định những nguyên lí cơ bản xoay quanh các bài toánxác định cấu trúc hệ thống, Thực tế của bài toán là việc lựa chọn tập tín hiệuhay phương thức điều chế nhằm đạt được hiệu quả phổ theo yêu cầu với côngsuất tín hiệu nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được xác suất thu lỗi đã cho

Việc xử lí tín hiệu băng gốc số thành dạng thích hợp để truyền trên kênhthông tin phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, do các loại kênh thông tin cócác đặc tính và hạn chế riêng Muốn xác định sơ đồ điều chế thích hợp cần

xem xét tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm ứng với tỷ lệ lỗi bít cho trước, hiệu suất sửdụng đo bằng b/sHz và tính phức tạp của hệ thống cũng như giá thành thiết bị.

1.5.Các phương pháp điều chế số

Điều chế sóng mang là quá trình gắn tin tức lên một tải tin (sóng mang) có

tần số phù hợp với môi trường truyền Tải tin là sóng mang hình sin với tham

số có thể thay đổi được theo quy luật của tín hiệu là biên độ, tần số và gócpha

Biểu diễn của tín hiệu điều chế:

Trong đó A: là biên độ sóng mang

fc : là tần số sóng mang

: là pha sóng mang

Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì

ta có điều chế tương tự nếu tín hiệu đưa đến là tín hiệu số thì ta có điều chếsố

Trong thông tin số, tín hiệu đưa đến để điều chế là tín hiệu nhị phân haydạng mã hóa M mức của luồng tín hiệu nhị phân này Trong trường hợp điềuchế số thì tín hiệu điều chế cũng làm thay đổi biên độ, pha và tần số của sóngmang Tương ứng ta có các phương pháp điều chế khác nhau

Các kỹ thuật điều chế sóng mang số được phân loại cơ bản như sau:

Điều chế đồng bộ bao gồm

- Đồng bộ nhị phân : ASK, FSK, PSK

- Đồng bộ hạng M : ASK hạng M, PSK hạng M, FSK hạng M nhơQPSK, QAM

Điều chế không đồng bộ bao gồm:

- Không đồng bộ nhị phân: ASK không đồng bộ, FSK không đồng bộ.Với PSK không có đồng bộ (vì không đồng bộ nghĩa là không có thôngtin về pha), nhưng thay vào đó DPSK không đồng bộ.

- Không đồng bộ hạng M cũng có với ASK, FSK, DPSK nhưng phứctạp

Trong máy phát, tín hiệu tin tức được điều chế tín hiệu sóng mang Tínhiệu sóng mang sau khi được điều chế sẽ được gửi tới máy thu nơi giải điềuchế sóng mang xảy ra để khôi phục tin tức tín hiệu Thực hiện giải điều chế ởmáy thu có thể dùng tách sóng kết hợp hoặc không kết hợp Tồn tại nhiều sơ

đồ tách sóng cho người thiết kế hệ thống thông tin số để truyền trên kênhthông dải Mỗi sơ đồ có những ưu nhược điểm riêng nên việc chọn sẽ ưu tiên

sơ đồ có tốc độ số liệu cực đại, xác suất lỗi symbol cực tiểu, công suất phátcực tiểu, độ rộng kênh cực tiểu, khả năng chống nhiễu cực đại, mức độ phứctạp của thiết bị cực tiểu… Tuy nhiên cần lưu ý một số tiêu chuẩn trên đối lậpnhau, nên phải lựa chọn một giải pháp dung hòa để thỏa mãn càng nhiều tiêuchí trên càng tốt

1.6.Tổng kết chương

Trong chương 1 đã nghiên cứu và tìm hiểu tổng quan về hệ thống thôngtin và sâu hơn là hệ thống thông tin số Nguyên lí hoạt động, các phương phápđiều chế của hệ thống thông tin số đã được làm rõ ở chương này

Chương 2: Hệ thống thông tin sử dụng kĩ thuật

MC-OFDM)2.1.Tổng quan hệ thống OFDM

2.1.1 Khái niệm

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency division multiplexing)

là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, kĩ thuật này là mộttrường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó cácsóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mangphụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệuban đầu

Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụngphổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 2.1 : Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu songsong tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp song song (S/P:serial

Dữ liệu

nhị

phân

Sắp xếp

pilot

IDFT Chèn

dải bảo vệ

Dữ

liệu ra

Sắp xếp lại

lượng kênh

DFT Loại bỏ

dải bảo vệ

/parrallel) Mỗi dòng dữ liệu sau đó được mã hóa bằng thuật toán tiến và đượcsắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những mẫu hỗn hợp được đưa đến đầuvào bộ IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênhnhánh trong miền tần số Sau đó các khoảng bảo vệ được chèn vào để giảmxuyên nhiễu trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phíaphát định dạng tín hiệu liên tục sẽ chuyển lên tần số cao để truyền đi các kênh

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp Khoảng bảo vệ đượcloại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số nhờ bộDFT, 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 Các symbol thu được sẽđược sắp sếp ngược trở lại và giải mã, cuối cùng chúng ta sẽ thu được dòng

dữ liệu nối tiếp ban đầu

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh

xạ tín hiệu, tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênhthông tin Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộcvào dạng thông tin là analog hay digital Một số sơ đồ điều chế tương tựchung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha(PM), điều chế đơn biên (SSB) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chungcho thông tin số bao gồm khóa dịch biên (ASK) , khóa dịch tần (FSK), khóadịch pha (PSK), điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chialuồng 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 mẫungẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thànhphần OFDM ,truyền trên nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này chophép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp

âm giao thoa kí tự nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống các sóng mang được lọc ra riêng biệt

để đảm bảo không bị chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa kí tự

ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng có hiệu quả caonhât Với kĩ thuật OFDM, nếu khoảng cách các sóng mang được chọn sao chonhững sóng mang trực giao trong chu kì kí tự thì những tín hiệu được khôiphục mà không giao thoa hay chồng phổ.

2.1.3 Các nguyên lí cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ caothành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số cácsóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóngmang con song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đađường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàntoàn do việc đưa vào một khoảng thời 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 điềuchế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mangchồng 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 sóngmang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên cácsóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sửdụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăngdung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữliệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóngmang đó

Hình 2.2: So sánh kĩ thuật sóng mang không chồng phổ (FDM) và kĩ thuật

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗiđài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM đểduy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộgiữa mỗi trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thôngtin 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 đặcnhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM đượcđồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm sát can nhiễu giữa cácsóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng lạikhông gay can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điềuchế Với FDM những tín hiệu truyền cần khoảng bảo vệ tần số lớn giữanhững kênh để ngăn ngừa can nhiễu, điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuynhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kểkhoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả của phổ

2.2 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

2.2.1 Sự trực giao trong OFDM

“ORTHOGONAL” ( Sự trực giao) chỉ ra rằng có một mối quan hệ toánhọc chính xác trong miền tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM.Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau mộtkhoảng 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, các khoảngbảo vệ cần được tính toán đặt trước các sóng mang khác nhau và việc đưa vàocác khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp, tạo ra các sóng mang trong OFDM sao cho cácdải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu đượcchính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn như vậy cácsóng mang phải trực giao về mặt toán học Nếu mất tính trực giao giữa cácsóng mang con sẽ tạo ra sự chồng lặp hỗn độn và làm cho đầu thu khó khôiphục lại hoàn toàn dữ liệu thông tin ban đầu Máy thu OFDM có thể được coi

là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóngmang xuống băng gốc và thực hiện tích phân trên một chu kỳ tín hiệu nhằmkhôi phục lại dữ liệu ban đầu

 Sự trực giao trong miền tần số của OFDM

Một cách khác để xem tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sinc(sin(x)/x) Trong miền tần số, mỗi sóng mang phụ OFDM có đáp ứng tần

số là hàm sinc Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịchđảo của khoảng cách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trongmột khoảng thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol này tương ứngvới khoảng cách tải phụ 1/ TFFT (Hz) Dạng sinc có một búp chính hẹp,với nhiều búp bên có biên độ giảm dần theo tần số khi đi xa khỏi tần sốtrung tâm Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số

giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cáchsóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗisóng mang phụ tương ứng với Nulls của các sóng mang phụ khác.

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của sóng mang con nhất định sẽrơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác Sử dụngcác tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóngmang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớntrong miền tần số do đó sẽ đạt được hiệu quả phổ cao

Hình 2.3: Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số

Hình trên mô tả đáp ứng của mỗi sóng mang con có dạng hàm số Sinc Tại

vị trí đỉnh phụ của các sóng mang con khác sẽ trùng với đỉnh búp sóng chínhcủa sóng mang xem xét Điều đó thể hiện tính trực giao về mặt tần số của tínhiệu OFDM

2.2.2 Kĩ thuật ghép kênh theo tần số trực giao

MC-OFDM là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tậpcác sóng mang trực giao nhau Tính trực giao có ý nghĩa là các tín hiệu được

điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với nhau Tính trực giao với nhau đạt được docác sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí “null” của các phổ tín hiệu đãđiều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau,tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm ăng thông đáng kể so vớiFDM truyền thống.

2.2.3 Truyền dẫn đa sóng mang

Truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication ) là một dạngFDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thutương ứng MC được dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệusong song Luồng dữ liệu cần truyền được chia ra làm nhiều luồng dữ liệucon Sau đó, các luồng dữ liệu con nãy được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp –song song và được truyền song song trên những sóng mang khác nhau (mỗiluồng con được truyền trên một sóng mang) với tốc độ truyền thích hợp,nhưng tốc độ truyền dữ liệu trên các sóng mang con phải thấp hơn nhiều lầntốc độ truyền ban đầu Tốc độ dữ liệu tổng thể là tổng của các tốc độ dữ liệutrên tất cả các kênh con Dạng MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành

N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền, N luồng này điều chế tại Ntần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênh truyền Ởphía thu thì làm ngược lại phân kênh, giải điều chế, và ghép các luồng dữ liệusong song thành một luồng duy nhất như ban đầu N được chon sao cho độrộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền

Hình 2.4: Nguyên lí truyền dẫn đa sóng mang

2.2.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang

con Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng làcác điểm rời rạc Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT)chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuynhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì

nó hiệu quả hơn Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lêntần số truyền dẫn vô tuyến

Hình 2.6 Sơ đồ khối phần phát hệ thống OFDM sử dụng

sóng mang dạng tín hiệu điều hòa phức.

Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó trước hết,

trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau đó sử dụng FFT đểphân tích tín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và phacủa các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trởlại thành dữ liệu số ban đầu

Hình 2.7 Sơ đồ khối phần thu hệ thống MC-OFDM sử dụng sóng mang dạng

tín hiệu điều hòa phức

 Nhiệm vụ các khối trong hệ thống

1 Tầng chuyển đổi nối tiếp thành song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành

dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000bit Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phươngpháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chếsóng mang của 16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệthống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu

sẽ là 400 Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từcác sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp banđầu

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số)tác động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng.Tại điểm đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểmnày sẽ bị tổn thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu Do cơ chế

FEC mang lại hiệu quả cao nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chunghay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiênhoá như là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành song song Vấn đề nàyđược thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng mang con củamỗi một bit dữ liệu nối tiếp Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit lỗitrong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.

2 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệungười dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chếbiên độ và pha Việc xắp xếp điều chế sóng mang con đối với 16-QAM đượccho hình 2.6, mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữliệu tương ứng với một vector IQ duy nhất

Hình 2.8: Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM

truyền qua kênh vô tuyến.

3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Hình 2.9: Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫutần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trongmiền thời gian Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tínhiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian Tương ứng với mỗimẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứatất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT) Hầu hết các sóngmang con đều mang dữ liệu Các sóng mang con vùng ngoài không mang

dữ liệu được đặt bằng 0

4 Tầng điều chế sóng mang RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng mộttrong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: “tương tự” được cho ở hình 2.8 và “số” được cho ở hình 2.9 Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số

sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác nên cải thiện quá trình ghép các kênh

I và Q

Hình 2.10: Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ

Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng cho điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ

có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các môitrường kết nối đa dạng từ: đường dẫn thẳng LOS (line of sight) đến đường dẫn

bị che khuất OLOS ( obstructed line of sight) và không có đường dẫn thẳngNLOS ( non line of sight) Đây chính là ưu điểm của OFDM Tuy nhiên, dolàm việc với nhiều loại môi trường truyền dẫn khác nhau như vậy nên tín hiệu

đa đường dẫn là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vậtcản bởi các trạm phát và trạm thu Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thukhông cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và thường đến sau

so với tín hiệu gốc( truyền thẳng) Do không đến cùng nhau nên xảy ra hiệntượng nhiễu Ngoài nhiễu do sự chênh lệch thời gian còn có nhiễu do sự sailệch tần số do sự sai lệch tần số giữa các sóng mang con làm mất tính trựcgiao giữa chúng

2.3.1 Nhiễu ISI và cách khắc phục

 Nhiễu ISI và những ảnh hưởng

ISI (Inter-Symbol inteference) là hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI

xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnhhưởng lên ký tự trước đó

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh fading trong miền thời gian,tính bất ổn định của kênh gây ra sự giao thoa tín hiệu

Ảnh hưởng của ISI : gây ra sự nhận định sai kí hiệu, gây khó khăntrong việc khôi phục tín hiệu gốc tại phía thu

 Giải pháp và cách khắc phục ảnh hưởng ISI

Chèn khoảng thời gian bảo vệ: Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cáchcopy phần cuối kí hiệu lên phần đầu của cùng kí hiệu Nhờ đó tín hiệu có

tính liên tục, không bị gián đoạn tại điểm nối, đảm bảo tính trực giaoxuyên xuốt Đồng thời nhờ việc copy đó để thực hiện bước đồng bộ kí hiệuqua phương pháp nhân tương quan.

OFDM có thể khắc phục hoàn toàn được nhiễu ISI bằng việc dùngkhoảng bảo vệ Điều này là hiển nhiên khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn

độ trải trễ cực đại thì symbol sau sẽ không ảnh hưởng đến symbol trước dohiệu ứng fading đa đường Tuy nhiên, khoảng bảo vệ là khoảng dữ liệukhông mang thông tin, là dữ liệu truyền vô ích nên tùy điều kiện môitrường để chọn cho hợp lí, tiết kiệm băng tần

2.3.2 Nhiễu ICI và cách khắc phục

 Nhiễu ICI và những ảnh hưởng

ICI (inter-channel interference) là nhiễu xuyên kênh, là nhiễu phát

sinh do tín hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau

ICI ( inter-cell interence) là nhiễu liên tế bào hay nhiễu giữa các tếbào, là nhiễu phát sinh do tín hiệu cùng băng tần trên các tế bào (cell)khác nhau trong mạng di động gây nhiễu lên nhau

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang Trong

hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóngmang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồnglấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng man con Nguyên nhân chính là do hiện tượng doppler do tính di động củamáy phát và máy thu có sự chuyển động tương đối giữa chúng Do tínhchọn lọc tần số của kênh fading

Ảnh hưởng của ICI : những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽkhông thể khôi phục chính xác như đã phát

 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI

Để hạn chế ảnh hưởng của ICI, cách khắc phục là chèn khoảng thờigian bảo vệ một cách tuần hoàn và dùng pilot dẫn đường giúp ước lượng

và cân bằng kênh khi khôi phục tín hiệu ở phía thu