Công nghệ OFDM và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ và những ưu điểm tuyệt vời mà Internet, thông tin vô tuyến, thông tin di động toàn cầu đem lại, nhu cầu sử dụng các dịch vụ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 

DANH MỤC HÌNH VẼ 4 

DANH MỤC BẢNG 6 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7 

LỜI NÓI ĐẦU 11 

CHƯƠNG 1:  KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 13  1.1  Các khái niệm về thông tin vô tuyến 13  1.1.1 Khái niệm về thông tin vô tuyến 13  1.1.2 Khái niệm kênh truyền 14  1.1.3 Khái niệm về truyền dẫn băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông 14  1.1.4 Khái niệm về sóng mang 14  1.1.5 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến 14  1.2  Kênh vô tuyến 15  1.2.1 Đặc điểm của kênh vô tuyến 15  1.2.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 16  1.3  Kết luận chương 25  CHƯƠNG 2:  TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ OFDM 26 

2.2.1 Khái niệm 27  2.2.2 Đặc điểm 29 

2.3.2 Khối điều chế 31  2.3.3 Khối biến đổi Fourier ngược 31 

2.3.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến 32 

CHƯƠNG 3:  NGUYÊN LÝ XỬ LÝ TÍN HIỆU CỦA KỸ THUẬT OFDM 35 

3.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 38 

3.3.5 Phép nhân với xung cơ sở 43 

3.4.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường 44 

3.5.2 Nhiễu giao thoa ký tự ISI và sóng mang ICI ảnh hưởng đến hệ thống OFDM 51 3.5.3 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ 55 3.5.4 Cửa sổ công suất 56 

4.1.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 66 

4.3.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số 81 

CHƯƠNG 5:  ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 83 

5.1.1 Các công nghệ đa truy cập 83 

KẾT LUẬN 102  TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Mô hình hệ thống thông tin 13 

Hình 1-2: Hiệu ứng đa đường 17 

Hình 1-3: Mật đổ phổ của tín hiệu thu 19 

Hình 1-4: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 22 

Hình 1-5: Minh họa fading lựa chọn tần số 23 

Hình 2-1: So sánh giữa FDMA và OFDM 28 

Hình 2-2: Tín hiệu và phổ OFDM 29 

Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống OFDM 30 

Hình 3-1: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 35 

Hình 3-2: Tích của hai vector vuông góc bằng 0 38 

Hình 3-3: Sơ đồ bộ điều chế tín hiệu OFDM 39 

Hình 3-4: Chuỗi bảo vệ GI 41 

Hình 3-5: Mô tả tác dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 42 

Hình 3-6: Xung cơ sở 43 

Hình 3-7: Mô hình kênh truyền 44 

Hình 3-8: Bộ thu tín hiệu OFDM 45 

Hình 3-9: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ tại bộ giải điều chế tín hiệu OFDM 46 

Hình 3-10: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu 52 

Hình 3-11: Chèn khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 53 

Hình 3-12: Phổ của bốn sóng mang trực giao 54 

Hình 3-13: Phổ của bốn sóng mang không trực giao 55 

Hình 4-1: Quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM 60 

Hình 4-2: Xác suất nhận biết mất mát và sai số tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau 62 

Hình 4-3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác nhau 65 

Hình 4-4: Bám đuổi pha DPLL 68 

Hình 4-5: Pilot trong gói OFDM 70 

Hình 4-6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM 71 

Hình 4-7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC 73 

Hình 4-8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR 74 

Hình 4-9: CP trong một symbol OFDM 77 

Hình 4-10: Tín hiệu OFDM 79 

Hình 4-11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 81 

Hình 4-12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame 81 

Hình 5-1:Sơ đồ khối máy phát MC-CDMA 86 

Hình 5-2:Sơ đồ khối máy thu MC-CDMA ứng với user k 87 

Hình 5-3: Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ j 88 

Hình 5-4: Phổ công suất của tín hiệu MC – CDMA 88 

Hình 5-5: Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ j 89 

Hình 5-6: Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ j 89 

Hình 5-7: Mô hình bộ thu sử dụng kỹ thuật SUD 90 

Hình 5-8: Nguyên lý hoạt động của phương pháp lựa chọn phù hợp 91 

Hình 5-9: Nguyên lý hoạt động của phương pháp MRC 92 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 23 

Bảng 3-1: Dung lượng kênh truyền theo thông số kênh và điều chế 51 

Bảng 4-1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 79 

Bảng 5-1: Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB 97 

Bảng 5-2: Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB 98 

Bảng 5-3: So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN 99 

Bảng 5-4: Một số tham số vật lý của HiperLAN2 và 802.11a 99   

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoidance

Đa truy cập nhận biết sóng mang tránh xung đột

DVB-C Digital Video Broadcasting Cable Truyền hình số quảng bá cáp DVB-S Digital Video Broadcasting Satellite Truyền hình số quảng bá vệ

tinh DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt

đất

số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

tần số

communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

ngược

IEEE Institute of Electrical and Electronic

tự

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

trường

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trức giao

công suất trung bình

PIC Parallel Interference Cancellation Khử nhiễu song song

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

SIC Successive Interference Cancellation Khử nhiễu lần lượt

(S/N)

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian TDMA/DSA Time Division Multiple

Access/Dynamic Slot Allocation

Đa truy nhập phân chia theo thời gian kèm chỉ định khe động

điện áp

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ và những ưu điểm tuyệt vời mà Internet, thông tin vô tuyến, thông tin di động toàn cầu đem lại, nhu cầu sử dụng các dịch vụ và ứng dụng của các phương tiện này đang ngày càng tăng với tốc độ cao, đòi hỏi các hệ thống vô tuyến có những bước thay đổi phù hợp về kỹ thuật, công nghệ để đảm bảo tốc độ và chất lượng cho các ứng dụng này

Khi đó việc sử dụng các phương thức điều chế đơn sóng mang truyền thống trong các hệ thống vô tuyến sẽ khiến hệ thống phức tạp hơn rất nhiều nên phương thức này không còn là giải pháp phù hợp nữa Chính vì thế, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ra đời với những ưu điểm nổi trội như khả năng chống nhiễu tốt, hiệu suất sử dụng phổ cao, cho phép truyền tín hiệu tốc độ cao song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp…là một giải pháp tối ưu để giải quyết và đáp ứng được các vấn đề này OFDM trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và nhanh chóng khẳng định vị trị của mình trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như mạng truy nhập Internet băng rộng ADSL, mạng máy tính không dây tốc độ cao HiperLAN, trong công nghệ băng rộng Wimax,…

Vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Công nghệ OFDM và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động” để trình bày những nét cơ bản nhất về công nghệ OFDM, những

ưu điểm vượt trội của kỹ thuật này về điều chế tín hiệu và từ đó khẳng định đây là một kỹ thuật quan trọng, hiệu quả trong việc nghiên cứu, phát triển mạng thông tin

di động thế hệ thứ tư

Với mục đích là tìm hiểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM, các vấn đề tôi tập trung nghiên cứu trong luận văn sẽ là cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống OFDM Luận văn cũng đưa ra các kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM để tăng chất lượng của tín hiệu Bên cạnh đó, một nội dung nữa mà tôi trình bày trong luận văn đó là ứng dụng của kỹ thuật OFDM trong các hệ thống viễn thông, sự kết hợp của kỹ thuật này với các kỹ thuật khác trong thông tin di động để tăng hiệu suất sử dụng và chất lượng của mạng

Chương 1: Trình bày các lý thuyết cơ bản nhất về hệ thống thông tin vô tuyến,

kênh truyền và các tác nhân của kênh truyền làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu

Chương 2: Trình bày khái quát chung về kỹ thuật OFDM, lịch sử sự ra đời và phát

triển của kỹ thuật OFDM, khái niệm về kỹ thuật OFDM, mô hình hệ thống OFDM

và đánh giá ưu nhược điểm của kỹ thuật này

Chương 3: Trình bày nguyên lý hoạt động, các kỹ thuật, phương thức điều chế và

giải điểu chế tín hiệu OFDM cùng với các vấn đề liên quan đến kỹ thuật này

Chương 4: Đề cập đến vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM, các kỹ thuật đồng bộ

và ảnh hưởng của lỗi đồng bộ đến hệ thống OFDM

Chương 5: Chương cuối của luận văn sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật OFDM

trong viễn thông: Sự kết hợp giữa OFDM và CDMA (MC-CDMA), trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống MC-CDMA để thấy được ưu, nhược điểm khi ứng dụng OFDM vào trong thông tin di động Bên cạnh đó, chương này cũng đưa ra một số ứng dụng khác của OFDM trong thông tin vô tuyến

Do thời gian nghiên cứu có hạn, kiến thức về công nghệ này còn nhiều hạn chế nên trong một số khía cạnh tôi trình bày trong đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đánh giá, nhận xét, góp ý của các thày cô giáo và các bạn để hoàn thiện đề tài nghiên cứu của mình hơn nữa Tôi xin được chân thành cảm ơn các thày cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là Tiến sỹ, thày Nguyễn Vũ Sơn người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đề tài

Học viên

Lê Thị Mai Lan

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Ba thành phần quan trọng nhất trong bất kỳ một hệ thống thông tin vô tuyến

đó là: nguồn phát, nguồn thu và kênh truyền Trong đó kênh truyền là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ bên phát đến bên thu Chất lượng của tín hiệu chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi kênh truyền Trong chương này sẽ tìm hiểu và đưa ra các khái niệm về

hệ thống thông tin vô tuyến, về kênh truyền và các yếu tố trên kênh truyền làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu

1.1 Các khái niệm về thông tin vô tuyến

1.1.1 Khái niệm về thông tin vô tuyến

Hình 1-1: Mô hình hệ thống thông tin

Hình 1-1 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn tin trước hết qua mã nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó

được điều chế để có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải

mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau

1.1.2 Khái niệm kênh truyền

Kênh truyền là mội trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến Môi trường truyền dẫn có thể là trong một tòa nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện li Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền dẫn có các tính chất khác nhau

1.1.3 Khái niệm về truyền dẫn băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu được điều chế bằng một sóng mang nào đó trước khi phát đi Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn

1.1.4 Khái niệm về sóng mang

Sóng mang là sóng được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và dải tín hiệu (băng tần) cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin

1.1.5 Phân loại các hệ thống thông tin vô tuyến

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân loại theo sự cung cấp dịch

vụ Ví dụ hệ thống phát thanh và truyền hình Dịch vụ của hai hệ thống là thoại và hình ảnh Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn

như hệ thống truyền bán song công(bộ đàm) hay song công (hệ thống thông tin di động) Cũng có thể phân loại hệ thống theo môi trường truyền dẫn như thông tin vi

ba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thằng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường và ở khoảng cách ngắn)

1.2 Kênh vô tuyến

1.2.1 Đặc điểm của kênh vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán

xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước

(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì

sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống

• Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

1.2.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

1.2.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xary ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi

truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 1-2: Hiệu ứng đa đường

1.2.2.2 Nhiễu trắng Gauss

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

(inter-Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo

phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

1.2.2.3 Độ dịch Doppler

Khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số tín hiệu thu được tại bộ thu sẽ sai khác với tần số của tín hiệu phát đi từ bộ phát Cụ thể

là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được

sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler Hay nói cách khác bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Khi trạm phát và trạm thu có sự di chuyển so với nhau, tần số thu được của sóng

mang sẽ khác với tần số sóng mang f C được truyền Khi một trạm di động di chuyển

với vận tốc không đổi v tạo thành một góc α đối với phương của tín hiệu tới Tín hiệu thu được s(t) có thể viết như sau:

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn,khi đó tần số Doppler của tuyến này sẽ là:

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần

số Doppler lớn nhất sẽ là:

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau:

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích

như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f 0, khi đó tín hiệu thu được sẽ

không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f 0 mà bị dịch đi cả về hai phía

với độ dịch là f D,max như hình 1-3 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

Hình 1-3: Mật đổ phổ của tín hiệu thu

1.2.2.4 Độ trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit Vì vậy khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ của

kênh thông tin, ta có thể xác định được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được trong khi

bảo đảm nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép

Đối với truyền dẫn OFDM, mỗi ký tự tương ứng với nhiều sóng mang con

băng nhỏ truyền dẫn song song Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề

nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu Điều này gây nhiễu xuyên ký tự ISI Các

phương thức điều chế bậc cao hơn như 16-QAM, 256-QAM v.v có hiệu suất sử

dụng phổ cao hơn, nhạy hơn nhiều đối với nhiễu ISI và như vậy độ trải trễ phải ít

hơn nhiều so với khoảng thời gian ký tự

1.2.2.5 Suy hao trên đường truyền

Suy hao đường truyền là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm

này đến điểm khác Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và

hiệu ứng đa đường Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lêncàng

cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản Phương trình (1.5) cho ta công suất tín

hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

Trong đó: P R là công suất thu được (W); P T là công suất phát (W); G T là độ lợi

anten phát (dB); G R là độ lợi anten thu (dB); λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến

(m); R là khoảng cách truyền dẫn (m)

1.2.2.6 Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) và nhiễu xuyên kênh (ICI)

Trong môi trường đa đường, ký hiệu phát đi mất khoảng thời gian khác nhau

tới máy thu qua các đường truyền khác nhau, kênh sẽ bị phân tán thời gian tức là ký

hiệu thu được bị giãn rộng Điều này làm cho ký hiệu thu được hiện tại chồng lấn

sang ký hiệu trước đó và gây ra giao thoa ký hiệu Hiện tượng này được gọi là nhiễu

xuyên ký hiệu ISI

Nhiễu xuyên kênh ICI là nhiễu xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến

bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người

ta sử dụng khoảng bảo vệ giữa các dải tần

1.2.2.7 Hiện tượng fading

a) Fading chậm và fading nhanh

Fading chậm gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ

thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF Vì

sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm

Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền

này sẽ có thời gian truyền khác nhau Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi

trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 1-4 Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau

Hình 1-4: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF b) Fading lựa chọn tần số và fading phẳng

Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau Hình 1-5 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách

25m Đối với hình 1-4: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi

đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00cho mỗi đường Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λ hay có pha là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha là 0,778× 3600 = 2800 Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này

Hình 1-5: Minh họa fading lựa chọn tần số

Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông

Coherent B c của kênh Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi ∆f Hz và ∆t giây Hệ số đường bao kết

hợp là:

2 2

2 0

) 2 ( 1

) 2 ( )

, (

δπ

πρ

f

t f J t

∆ +

∆

=

∆

∆ (1.6)

với J 0 là hàm Bessel bậc không, f m là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải

trễ của kênh Bảng (1-1) cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau

Bảng 1-1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

Bên trong các toà nhà < 0,1 µs

Khu vực thành thị

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt ∆t

thành không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thông ∆f khi

hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó

5 , 0 )

2 ( 1

1 )

0 ,

+

=

δπ

ρ

c c

Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thời gian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị

trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

1.3 Kết luận chương

Như vậy, qua chương 1 chúng ta thấy rằng, chất lượng tín hiệu truyền đi trong không gian phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của kênh truyền như hiệu ứng Doppler, hiệu ứng đa đường, Fading, nhiễu trắng, nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu xuyên kênh… Và cũng như các hệ thống khác, hệ thống OFDM cũng chịu ảnh hưởng của các đặc tính này Việc hạn chế những ảnh hưởng này đến hệ thống OFDM sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ

OFDM

2.1 Lịch sử phát triển của công nghệ OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý

cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn

ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong

hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng) Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink

có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài Ví

dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu

kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn

đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỷ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến

đổi DFT Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở

ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique) Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới

hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

2.2 Khái niệm về OFDM

2.2.1 Khái niệm

OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế phân chia theo tần số FDM Phương pháp này chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà ở phía đầu thu ta vẫn khôi phục lại được

tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 2-1: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh

và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các ký hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh

a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM Hình 2-2: Tín hiệu và phổ OFDM

2.2.2 Đặc điểm

Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng được tách ở máy thu mà không bị nhiễu của sóng mang khác, hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến Suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu Trong OFDM, fading chỉ ảnh hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như toàn bộ các sóng mang con băng hẹp cùng với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo chất lượng qua các kênh vô tuyến

Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần số Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường

Công nghệ OFDM giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDMA và TDMA OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ kỹ tự thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễ truyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký tự ISI đáng kể (khoảng 100µs)

2.3 Cấu trúc hệ thống OFDM

Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống OFDM

Hình 2-3 biểu diễn cấu trúc bên trong của một hệ thống OFDM Tương ứng với mỗi khối thành phần sẽ thực hiện một chức năng riêng

2.3.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song

Luồng số liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2bit/từ cho QPSK) và chuyển thành dạng song song Dữ liệu được phát song song bằng cách gán mỗi từ cho một sóng mang để điều chế tín hiệu

2.3.2 Khối điều chế

Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hóa vi sai và điều chế mã PSK Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu được bổ xung vào đầu chuỗi Dữ liệu trên mỗi ký hiệu sau đó được gắn với một góc pha nhất định dựa theo phương thức điều chế Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên

độ không đổi và đơn giản để giảm các vấn đề viến đổi pha do fading

2.3.3 Khối biến đổi Fourier ngược

Sau khi phổ yêu cầu được xác định, thực hiện biến đổi Fourier ngược để tìm dạng sóng thời gian tương ứng Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chum tín hiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Thông thường, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng dụng các thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả cao hơn cho điều chế và giải điều chế

2.3.4 Khối chèn khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần: một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời ký hiệu nhờ tách sóng đường bao

Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ gia tăng lớn nhất của kênh nhiễu

đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu

Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 tới ¼ thời gian ký tự, làm giảm SNR tới 0.5-1dB

Sau khi chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu được biến đổi trở lại dạng nối tiếp là tín hiệu băng gốc trong truyền dẫn OFDM

2.3.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, mô hình cho phép điều khiển tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiều đa đường và cắt công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một số lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất trong khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi

2.3.6 Máy thu

Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát Góc pha của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải điều chế pha thu được Các từ số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích thước giống nhau như ban đầu

Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM tốt Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký tự OFDM và để đồng chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải điều chế

Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được thực hiện đủ chính xác thì dẫn đến mất tính trực giao của các sóng mang con do nhiễu ISI và ICI

2.4 Ưu và nhược điểm của OFDM

Các ưu điểm mà kỹ thuật OFDM mang lại cho các hệ thống sử dụng kỹ thuật này là:

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

• Sử dụng phổ hiệu quả nhờ phổ tần số có dạng gần như cửa sổ chữ nhật nếu

• Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ các sóng mang con

• Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT Đồng thời hệ thống có cấu trúc máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng dự trữ đủ dài

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:

• Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ

dạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây

ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính khôn dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,…

2.5 Kết luận chương

Nội dung của chương 2 cho chúng ta cái nhìn tổng quan chung nhất về hệ thống OFDM như lịch sử phát triển, cấu trúc hệ thống, chức năng của từng thành phần trong hệ thống OFDM, cùng với ưu và nhược điểm của nó Dựa vào những ưu điểm nổi bật này của kỹ thuật OFDM, càng khẳng định rằng OFDM là một phương thức điều chế hiệu quả, tin cậy và tốc độ cao

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ XỬ LÝ TÍN HIỆU CỦA KỸ

THUẬT OFDM

3.1 Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng thời 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 khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu

kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

(a) Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung (b) Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung

  Hình 3-1 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm nhiễu xuyên giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

3.2 Khái niệm toán học

Cho một tập các hàm số {f n (t), với n=1, 2, 3,…, k}, các hàm số được gọi là

trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn các điều kiện sau:

Tập hàm thỏa mãn điều kiện trên gọi là tập hàm trực giao Nếu k=1 họ hàm

đã cho không chỉ trực giao mà còn trực chuẩn Nghĩa là tích phân của bình phương mỗi hàm đều bằng đơn vị Trực giao có nghĩa là các hàm số này không ảnh hưởng lẫn nhau hay không gây nhiễu lên nhau giữ chúng không có mối quan hệ ràng buộc hay phụ thuộc Một số tập tín hiệu trực giao như tập hai hàm sin(ωt) và cos(ωt)

Một tín hiêu s(t) có thể biểu diễn dưới dạng một dãy hàm trực chuẩn

Với s k là hệ số trong phép xấp xỉ tín hiệu s(t) Sai số do phép thay thế tín hiệu

s(t) bằng một tập các giá trị s k là e(t) = s(t) – s”(t) Các hệ số s k phải được chọn sao

cho năng lượng của tín hiệu sai số εe là nhỏ nhất

Theo lý thuyết phân tích dựa trên tiêu chuẩn bình phương sai số thì giá trị nhỏ nhất của εe với mỗi chuỗi {sk} khi sai số là trực giao với mỗi hàm trong chuỗi

Giá trị nhỏ nhất của sai số bình phương là:

Khi sai số εmin = 0 thì năng lượng của tín hiệu s(t) và năng lượng trong chuỗi {sk} là bằng nhau Với điều kiện như vậy tín hiệu s(t) là:

Việc biểu diễn tín hiệu bằng tổng tuyến tính của một chuỗi hàm trực giao có thể dùng để phân tích các đặc điểm tính chất, khả năng chống nhiễu của dạng tín hiệu đó với kênh truyền… Nhưng cũng có thể dung kết quả đó để tổng hợp được tín hiệu cần truyền từ các tập tín hiệu đơn giản trực giao với nhau, tín hiệu thu được giữ được các tính chất chống nhiễu, đồng thời các thành phần con không gây nhiễu lên

3.3 Nguyên lý điều chế tín hiệu OFDM

3.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là s i (t) và

s j (t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải

thỏa mãn điều kiện sau :

(3.9) Trong đó :

T

f = 1

∆ là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký

hiệu, N là số các sóng mang con, N∆f là băng thông truyền dẫn và t s là dịch thời gian

Dấu “*” trong công thức (3.8) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2… thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0

Hình 3-2: Tích của hai vector vuông góc bằng 0

3.3.2 Sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM

Hình 3-3: Sơ đồ bộ điều chế tín hiệu OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con

là n, n ∈ {−L, −L+ 1 , , − 1 , 0 , 1 , ,L− 1 ,L}, nên N

FFT =2L+1 Dòng dữ liệu đầu vào{a i}

được chia thành N FFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua

bộ chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i,n} lại được điều

chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức {d k,n}, với n là chỉ số sóng mang phụ, i là

chỉ số khe thời gian tương ứng với N c bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối

tiếp/song song, k là chỉ số khe thời gian ứng với N c mẫu tín hiệu phức Các mẫu tín

hiệu phát {d k,n} được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau

đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejnωst, làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau Tín hiệu sau khi nhân với xung

cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau