Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng

Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây.. Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Nội dung luận văn có tham khảo

và sử dụng các tài liệu theo danh mục tài liệu tham khảo Các số liệu có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Học viên

Ngô Mạnh Hà

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC BẢNG 9

DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ 10

LỜI NÓI ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB 15

1 Giới thiệu chương 15

2 Giới thiệu về hệ thống UWB 15

2.1 Lịch sử phát triển của UWB 16

2.2 Các ưu điểm của UWB 17

2.3 Những thách thức của UWB 18

3 Các thuộc tính của hệ thống UWB 19

3.1 Mặt nạ phổ công suất 19

3.2 Mẫu xung 20

3.3 Chuỗi xung 23

3.4 Đa đường 25

3.5 Các đặc điểm khác 27

4 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB 29

4.1 Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 30

4.2 Các mạng cảm biến (Sensor Network) 31

4.3 Các hệ thống chụp ảnh 31

4.4 Các hệ thống rada giao thông 32

5 Tổng kết chương 32

CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ 34

TRỰC GIAO (OFDM) 34

1 Giới thiệu chương 34

2 Lịch sử phát triển OFDM 34

3 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 34

3.1 Đơn sóng mang (Single Carrier) 39

3.2 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 39

3.3 Sự trực giao (Orthogonal) 41

3.4 Mô tả toán học của OFDM 43

3.5 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 48

3.5.1 Điều chế BPSK 49

3.5.2 Điều chế QPSK 50

3.5.3 Điều chế QAM 53

3.6 Mã Gray 54

3.7 Khoảng bảo vệ (Guard Period) 57

3.7.1 Bảo vệ chống lại offset thời gian 57

3.7.2 Bảo vệ chống lại ISI 58

3.7.3 Overhead của khoảng bảo vệ 59

4 Các đặc tính của OFDM 59

4.1 Ưu điểm 59

4.2 Nhược điểm 60

4.3 Ứng dụng 60

5 Tổng kết chương 62

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CDMA 63

1.Giới thiệu chương 63

2 Tổng quan về CDMA 63

2.1 Mã trải phổ 65

2.1.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN 66

2.1.2 Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard 67

2.2 Các kiểu trải phổ cơ bản 67

2.3 Chuyển giao 68

2.3.1 Mục đích của chuyển giao 68

2.3.2 Các loại chuyển giao 69

2.4 Điều khiển công suất trong CDMA 70

2.4.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) 71

2.4.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) 72

3 Tổng kết chương 73

CHƯƠNG 4: KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA TRONG UWB 74

1 Giới thiệu chương 74

2 Kết hợp OFDM và CDMA 74

3 Công thức tín hiệu dạng tổng quát tại ngõ ra các khối 81

3.1 Tại khối xử lý tín hiệu phát của hệ thống OFDM - CDMA 81

3.2 Đáp ứng tín hiệu trên kênh truyền của hệ thống OFDM - CDMA 83

3.3 Tại khối xử lý tín hiệu thu của hệ thống OFDM - CDMA 83

4 Tổng kết chương 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Tạp âm Gaussian trắng cộng

BPM Bi-Phase Modulation

C

Điều chế pha cơ hai

CATV Cable Television or Community Antenna

Television

Truyền hình cáp hay truyền hình anten cộng đồng

CMOS Complementary

Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia

theo mã - chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DVD Digital Video Disc, Digital Versatile Disc DVD

thời gian FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần số

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

G

Trải phổ dùng nhảy tần

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói

chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile

Tivi có độ phân giải cao

ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm

thấp LOS Line-of-Sight

M

Tầm nhìn thẳng

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập

phương tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MB-OFDM

tần số trực giao - đa băng MPEG Moving Picture Experts Group

O

Nhóm các chuyên gia về ảnh động

OFDM Orthogonal Frequency-Division

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân

PDA Personal Digital Assistants Trợ giúp số cá nhân

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QoS Quality of Service

S

Chất lượng dịch vụ

SNR Signal- to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

dung đến Tivi SVGA Super Video Graphics Array

T

Mảng đồ hoạ Video cấp cao

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian

THSS Time Hopping Spread Spectrum

USB Universal Serial Bus Thiết bị lưu trữ

theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

không dây

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây 29

Bảng 2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác 29

Bảng 3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau 33

Bảng 4: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế 52

Bảng 5: Bảng Mã Gray 55

Bảng 6: Các thông số được đề xuất cho hệ thống 74

Bảng 7: Thí dụ về sáu mẫu nhẩy tần với sáu tần số nhẩy khác nhau 79

DANH MỤC HÌNH MINH HOẠ

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB 19 Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công suất của chúng 22 Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet 22 Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung

Gaussian doublet 23 Hình 1.5: Chuỗi xung UWB 24 Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH) 25 Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau 26 Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không chồng lấn và sẽ không gây nhiễu 27 Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng lấn 28 Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB 30

Hình 2 1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 35 Hình 2 2: Sơ đồ hệ thống OFDM 37 Hình 2 3: Phổ của sóng mang con OFDM 38

Hình 2 4: Truyền dẫn sóng mang đơn 39

Hình 2 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 40

Hình 2 6: Các sóng mang trực giao 42

Hình 2 7: Thêm CP vào symbol OFDM 45

Hình 2 8: Tích của hai vector trực giao bằng 0 46

Hình 2 9: Giá trị của sóng sine bằng 0 47

Hình 2 10: Tích phân của hai sóng sine a) có tần số khác nhau; b) có cùng tần số 47

Hình 2 11: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 50

Hình 2 12: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 53

Hình 2 13: Chùm tín hiệu M-QAM 54

Hình 2 14: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn 55

Hình 2 15: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM 56

Hình 3 1: Hàm tương quan của chuỗi PN 66

Hình 3 2: OLPC đường lên 72

Hình 3 3: Cơ chế điều khiển công suất CLPC 72

Hình 4 1: Lưới thời gian – tần số của hệ thống 75

Hình 4 2: Cấu trúc khung 75

Hình 4 3: Cấu trúc cụm điều chế 76

Hình 4 4: Cấu trúc tần số 77

Hình 4 5: Mô hình hệ thống MC-CDMA 77

Hình 4 6: Sơ đồ khối hệ thống thông tin di động CDMA 79

Hình 4 7: Sơ đồ khối của mô hình hệ thống OFDM - CDMA 80

Hình 4 8: Sơ đồ khối phần phát của OFDM - CDMA 80

Hình 4 9 Sơ đồ khối phần thu của OFDM - CDMA 81

Hình 4 10: Mô hình mô phỏng kênh truyền OFDM - CDMA 85

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm trước đây, khi nói đến chiếc đầu video chúng ta sẽ nghĩ tới rất nhiều dây kết nối tivi với đầu video, với ampli và loa Ngày nay, bạn đã bao giờ tưởng tượng rằng tất cả dây kết nối đó sẽ biến mất và bạn có thể tận hưởng bộ phim, bản nhạc của mình trong một không gian tuyệt đẹp không hề có dây kết nối mất thẩm mỹ đó Đằng sau máy tính của bạn có rất nhiều dây dẫn đủ loại nào là dây nối chuột, bàn phím, màn hình, kết nối USB, Chúng thật phiền phức và vướng víu! Bạn đã nghĩ rằng một ngày nào đó, toàn bộ dây dẫn đằng sau chiếc PC của bạn sẽ biến mất Điều này là hoàn toàn

có thể với công nghệ UWB (Ultra wideband: mạng băng siêu rộng)

UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (wireless

personal area networks) Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng,

băng thông lớn Hiện tại, UWB cho phép các thiết bị "nói chuyện" với nhau trong phạm vi là 10m Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, tiếng nói, … với tốc độ cao

Không những thế, UWB sẽ tiến tới truyền các tập tin lớn giữa các PC và các thiết bị di động như các máy phát nhạc MP3 và máy ảnh số Hiện tại, UWB có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 252 Mbps Và trong tương lai, khả năng có thể lên tới

480 Mbps trong khoảng cách không quá xa Do đó, ý tưởng truyền các tập tin lớn là hoàn toàn có khả năng

Luận văn “Phương pháp điều chế trong mạng băng thông siêu rộng” trình bày những vấn đề căn bản nhất về công nghệ UWB, OFDM, CDMA và việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB, các ưu nhược điểm của từng hệ thống riêng rẽ và ưu nhược điểm của hệ thống kết hợp

Luận văn được chia làm 4 chương, với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu về mạng băng thông siêu rộng UWB

Chương 2: Giới thiệu về phương pháp điều chế sử dụng các sóng mang con trực

giao OFDM

Chương 3: Giới thiệu về công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Chương 4: Giới thiệu về việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB

Việc kết hợp OFDM và CDMA trong UWB đòi hỏi một kiến thức sâu rộng và

sự đầu tư thoả đáng về thời gian Vì vậy trong khuôn khổ luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót cũng như còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thỏa đáng Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và phê bình của các bạn

Xin gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới TS Nguyễn Viết Nguyên, thầy đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian qua

CHƯƠNG 1: MẠNG BĂNG SIÊU RỘNG UWB

1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu các khái niệm chung về UWB và giải thích mà không sử dụng quá nhiều công thức để chứng minh UWB là một kĩ thuật hấp dẫn và có tính đột phá Trong chương này tôi trình bày về lịch sử phát triển của UWB để thấy rằng UWB không hoàn toàn là kĩ thuật mới cả về phương diện khái niệm lẫn các kĩ thuật xử lí tín hiệu được sử dụng Với các ưu thế như tốc độ cao, công suất tiêu thụ thấp, gây nhiễu nhỏ, … Các ứng dụng UWB rất hấp dẫn cả ở hiện tại và trong tương lai với các ứng dụng không dây

2 Giới thiệu về hệ thống UWB

Trước khi tìm hiểu về truyền thông UWB, tôi trình bày định nghĩa về UWB

Trong đó B:=f H -fL chỉ băng tần 10 dB của hệ thống, và tần số trung tâm hệ thống

UWB với f c =(f H +f L )/2 với f H là tần số cao với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số

có công suất cực đại, và f L là tần số thấp với công suất thấp hơn 10 dB so với tần số có công suất cực đại

Về mặt lịch sử, các hệ thống rada UWB được phát triển chủ yếu để phục vụ mục đích quân sự bởi vì chúng có thể “nhìn xuyên qua” cây cối và mặt đất Tuy nhiên, gần đây kĩ thuật UWB chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực dân sự như các ứng dụng điện tử

viễn thông Các đặc điểm lí tưởng của các hệ thống UWB là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, tốc độ cao, khả năng định vị chính xác và gây nhiễu cực nhỏ

Mặc dù các hệ thống UWB đã phổ biến nhiều năm trước nhưng gần đây mới thực sự được chú ý trong ngành công nghiệp vô tuyến Kĩ thuật UWB có khác biệt so với các kĩ thuật truyền dẫn không dây băng hẹp thông thường đó là thay bằng truyền dẫn trên các kênh tần số riêng biệt, UWB trải tín hiệu trên một dải rộng tần số Dạng truyền thông điển hình dựa trên sóng vô tuyến dạng sin được thay thế bởi các chuỗi xung với tốc độ hàng triệu xung trên một giây Với băng tần rộng và công suất rất nhỏ làm tín hiệu UWB giống như tạp âm nền

2.1 Lịch sử phát triển của UWB

Phần lớn mọi người nghĩ rằng UWB là một công nghệ “mới”, do nó là công nghệ cho phép thực hiện những điều trước đó không thể có Đó là tốc độ cao, kích cỡ thiết bị nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hay cung cấp các ứng dụng mới Tuy nhiên, đúng hơn UWB là công nghệ mới theo nghĩa các thuộc tính vật lí mới của nó được phát hiện và được đưa vào ứng dụng

Tuy nhiên, phương pháp chiếm ưu thế trong truyền thông vô tuyến hiện nay dựa vào các sóng dạng sin Truyền thông dựa vào sóng điện từ dạng sin đã trở nên phổ biến trong truyền thông vô tuyến đến nỗi nhiều người không biết rằng hệ thống truyền thông đầu tiên thực tế dựa trên tín hiệu dạng xung Năm 1893, Heirich Hertz sử dụng một bộ phát xung để tạo sóng điện từ cho thí nghiệm của ông Các sóng đó hiện nay có thể được gọi là các tạp âm màu Trong khoảng 20 năm sau những thí nghiệm đầu tiên của Hertz, các bộ tạo sóng chủ yếu là các bộ phát tia lửa điện giữa các điện cực cacbon

Tuy nhiên, truyền thông dựa trên sóng dạng sin trở thành dạng truyền thông chủ yếu và chỉ đến những năm 1960 các ứng dụng UWB mới được khởi động lại một cách nghiêm túc và tập trung chủ yếu vào phát triển các thiết bị rada và truyền thông Ứng dụng trên lĩnh vực rada được chú ý rất nhiều vì có thể đạt được các kết quả chính xác với

các hệ thống rada dựa trên truyền dẫn xung cực ngắn Các thành phần tần số thấp của tín hiệu UWB có đặc tính đâm xuyên vật thể tạo cơ sở để phát triển các loại rada quan sát

những vật thể che khuất như rada lòng đất Năm 1973 có bằng sáng chế đầu tiên cho

truyền thông UWB Lĩnh vực ứng dụng UWB đã chuyển theo hướng mới Các ứng dụng khác, như điều khiển giao thông, các hệ thống định vị, đo mực nước và độ cao cũng được phát triển Phần lớn các ứng dụng và phát triển diễn ra trong lĩnh vực quân sự hay nghiên cứu được tài trợ bởi chính phủ Mĩ dưới các chương trình bí mật Trong quân đội, các chương trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ UWB như rada chính xác hoạt động dưới danh nghĩa các chương trình nghiên cứu và phát triển Điều chú ý là trong những

năm đầu, UWB được gọi là kĩ thuật băng gốc, kĩ thuật không sóng mang, và kĩ thuật

xung Bộ Quốc phòng Mĩ được coi là nơi đầu tiên sử dụng thuật ngữ ultra wideband

Những năm cuối thập kỉ 90 bắt đầu thương mại hoá các hệ thống và thiết bị truyền thông UWB Các công ty như Time Domain và đặc biệt là XtremeSpectrum được thành lập quanh ý tưởng truyền thông sử dụng tín hiệu UWB

2.2 Các ưu điểm của UWB

Các ưu điểm của UWB có thể tổng kết là:

1 Tốc độ cao

2 Giá thành thiết bị thấp

3 Chống đa đường

4 Đo đạc (định vị) và truyền thông trong cùng một thời điểm

Tôi sẽ trình bày chi tiết hơn những ưu điểm này trong các mục tiếp theo, nhưng trước tiên tôi muốn nói đến khía cạnh hấp dẫn nhất của truyền thông UWB đó là tốc độ cao Tốc độ cao cho phép đưa ra các ứng dụng và các thiết bị mới mà hiện tại chưa có Tốc độ lớn hơn 100 Mb/s đã đạt được và có khả năng vượt qua tốc độ trên ở khoảng cách ngắn

Biểu thức Shannon được biểu diễn:

2.3 Những thách thức của UWB

UWB có nhiều lí do làm nó rất hấp dẫn cho truyền thông vô tuyến cũng như nhiều ứng dụng khác trong tương lai, nó cũng có một số thách thức phải vượt qua để trở thành một kĩ thuật được sử dụng phổ biến

Các hệ thống vô tuyến luôn phải tuân thủ các điều lệ để tránh nhiễu giữa các người dùng khác nhau Do UWB chiếm một băng tần lớn, có nhiều người cũng sử dụng có băng tần nằm trong dải tần này có thể bị ảnh hưởng và cần phải chắc chắn rằng UWB sẽ không gây nhiễu cho các dịch vụ hiện tại của họ Đặc biệt là trong trường hợp những người dùng này được độc quyền sử dụng dải tần của họ Do đó giải quyết vấn đề phổ tần là đặc biệt quan trọng trong hệ thống UWB

Những thách thức khác bao gồm cả việc các nhà sản xuất chấp nhận các tiêu chuẩn để đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị UWB Hiện nay chưa có sự nhất trí hoàn toàn về các chuẩn thì khả năng có sự xung đột giữa các tiêu chuẩn cũng như các thiết bị là rất rõ ràng

Giá thành thấp nhưng thêm vào đó là sự phức tạp của thiết bị UWB để loại bỏ nhiễu và vận hành ở công suất thấp có thể lại đẩy giá thành thiết bị UWB lên tương đương với các thiết bị vô tuyến hiện tại

3 Các thuộc tính của hệ thống UWB

Phần này trình bày các đặc điểm cơ bản của hệ thống UWB Trước hết ta nghiên cứu mặt nạ phổ công suất được áp dụng cho UWB

3.1 Mặt nạ phổ công suất

Phổ của tín hiệu UWB là một trong những vấn đề chính gây tranh luận giữa ngành công nghiệp vô tuyến và chính phủ để thương mại hoá UWB Thực tế, tên của công nghệ là băng siêu rộng đã cho thấy vấn đề phổ là trung tâm của công nghệ UWB Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến phải tuân thủ các điều lệ và quy định khác nhau về công suất phát trong các băng tần cho trước để tránh nhiễu tới các người dùng khác ở gần hoặc chung dải tần số

Hình 1.1: Mặt nạ phổ do FCC áp đặt cho các hệ thống truyền thông UWB

Các hệ thống UWB chiếm băng tần rất rộng và gây nhiễu tới các người dùng hiện tại Để giữ nhiễu ở mức tối thiểu FCC và các nhóm chuẩn hoá khác định nghĩa các mặt

nạ phổ cho các ứng dụng khác nhau với công suất phát được phép ở mỗi dải tần số khác nhau Trong hình 1.1 chỉ ra mặt nạ phổ của FCC cho các hệ thống UWB trong nhà Băng tần lớn liên tục 7.5 GHz nằm giữa tần số 3.1 GHz và 10.6 GHz ở công suất phát tối đa cho phép là -41.3 dBm/MHz

Lí do chính của công suất đầu ra cho phép vô cùng nhỏ ở các băng tần 0.96 1.61 GHz là do các nhóm đại diện cho các loại hình dịch vụ hiện tại, như thông tin di động, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), và các ứng dụng trong quốc phòng gây áp lực

GHz-để tránh gây nhiễu lên các dịch vụ đó Công suất cho phép -41.3 dBm/MHz là khá thấp

so với ảnh hưởng nhiễu thực tế hệ thống UWB có thể gây ra và nhiều nhóm chuẩn hoá

hi vọng đạt được công suất phát cao hơn

3.2 Mẫu xung

Dạng xung cơ bản được sử dụng trong UWB thường được gọi là monocycle (đơn chu trình) vì nó chỉ có một chu kì và có thể là bất kì hàm nào thoả mãn yêu cầu về mặt nạ phổ Các dạng xung phổ biến là các xung Gaussian, Laplacian, Rayleigh và Hermittian, … Thường sử dụng các dạng đạo hàm của xung Gaussian Lí do để sử dụng xung Gaussian là các kĩ thuật sử dụng để tạo các xung Gaussian là tương đối đơn giản và chúng có phổ tần khá phù hợp với mặt nạ phổ

Monocycle p x (t) được giả thiết là đạo hàm bậc x của xung Gaussian p(t):

( ) 1 exp 22

2 2

t

p t

σπσ

Với P(f) là biến đổi Fourier của p(t) PSD của monocycle p x (t) nhận được là :

w

w 2 2 2 2

Bây giờ coi như độ rộng xung đã biết, số lượng mẫu trên một xung có thể được xác định Đây là điều quan trọng để biểu diễn tín hiệu số để sử dụng trong xử lý tín

hiệu số và mô phỏng Đối với p 2 (t), thường sử dụng trong lí thuyết mô phỏng, có thể

biểu diễn bởi 10 mẫu trên một xung, nếu có chênh lệch cỡ 50 dB nằm giữa cực đại PSD và ở một nửa PSD cực đại thì tốc độ lấy mẫu đó là hiệu quả

Hình 1.2: Các monoycle px(t) với x=0…2 với PW=0.9 ns và các dạng phổ mật độ công

suất của chúng

Một đặc điểm cần chú ý khác là các anten sử dụng trong các bộ phát và thu Lí do

là anten hoạt động với tín hiệu UWB khác với các tín hiệu băng hẹp Thành phần điện bức xạ sẽ tỉ lệ với đạo hàm của xung phát và xung thu được sẽ tỉ lệ với đạo hàm bậc hai của xung được đưa đến anten Những ảnh hưởng này phải được tính đến để thực hiện giải điều chế hiệu quả

Tạo xung Gaussian

du dt

du dt

Hình 1.3: Mô hình Matlab đơn giản để tạo tín hiệu Gaussian doublet

Một dạng xung UWB điển hình là Gaussian doublet (x=2) Kiểu xung này thường

được sử dụng trong các hệ thống UWB bởi vì dạng xung của nó tạo ra dễ dàng Xung dạng chữ nhật có thể tạo ra dễ dàng bằng cách tắt mở nhanh transistor

Hình 1.4: Chi tiết của việc tạo xung trong hệ thống truyền thông UWB: (a) Chuỗi xung chữ nhật; (b) Chuỗi xung dạng Gaussian; (c) xung đạo hàm bậc 1; (d) các xung

Gaussian doublet

Hình 1.3 và 1.4 đưa ra một mô hình tạo xung đơn giản, nó mô tả quá trình tạo xung Gaussian doublet, các ảnh hưởng của anten phát và thu tín hiệu Chúng ta bắt đầu với xung chữ nhật ở hình 1.4(a) Các xung UWB có độ rộng cỡ ns hay ps Chuyển mạch tắt mở nhanh tạo các xung không có dạng chữ nhật mà có dạng xấp xỉ dạng xung Gaussian Đó là lí do của tên xung Gaussian, monocycle hay doublet Mạch đơn giản tạo xung Gaussian doublet được trình bày trên hình 1.3 Phát xung trực tiếp đến anten các thành phần xung bị lọc tuỳ thuộc vào các đặc tính của anten Ảnh hưởng tương tự cũng xảy ra ở anten thu Ở đây tôi chỉ mô hình kênh là trễ và giả thiết xung được khuyếch đại ở phía thu

3.3 Chuỗi xung

Một xung bản thân nó không thể truyền nhiều thông tin Thông tin hay dữ liệu cần được điều chế vào một chuỗi các xung được gọi là một chuỗi xung như hình 1.5

minh hoạ Khi các xung được phát ở các khoảng thời gian lặp lại, thường được gọi là

độ lặp xung hay tỉ lệ thời gian chiếm, phổ thu được sẽ bao gồm các đỉnh phổ ở các tần

số ứng với độ lặp đó Những tần số này là bội số của nghịch đảo của tốc độ lặp xung Các đường công suất đỉnh này gọi là các đường răng lược bởi vì nó trông giống một chiếc lược Xem hình 1.6 (a)

Hình 1.5: Chuỗi xung UWB

Các đỉnh xung giới hạn công suất phát đáng kể Một phương pháp tạo dạng phổ giống tạp âm là làm “nhòe phổ” tín hiệu bằng việc thêm vào một độ dịch ngẫu nhiên vào mỗi xung: hoặc làm trễ xung hoặc phát xung trước một khoảng nhỏ so với thời điểm phát xung thông thường (thời điểm danh định) Dạng phổ thu được từ sử dụng dịch ngẫu nhiên được chỉ ra trên hình 1.6 (b) và có thể so sánh với hình 1.6 (a) thấy rằng các đường răng lược đã được làm giảm đi rất rõ rệt Chúng ta sẽ thấy ở chương sau, việc tạo trễ này không hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng lặp theo mã giả ngẫu nhiên đã biết (PN)

3.4 Đa đường

Mục này sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, đặc biệt trong kênh vô tuyến trong nhà Do bề rộng xung cực nhỏ, nếu các xung được xử lí trong miền thời gian thì các ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, như giao thoa kí hiệu (ISI), có thể giảm nhẹ Đa đường là hiện tượng phía thu thu được nhiều phiên bản khác nhau của một tín hiệu điện từ được truyền đến bằng các đường khác nhau tới đầu thu Xem hình 1.7 cho ví dụ về truyền dẫn đa đường trong một phòng Nguyên nhân của hiệu ứng này

là do phản xạ, hấp thụ, tán xạ, và nhiễu xạ năng lượng điện từ bởi các vật thể giữa cũng như xung quanh bộ thu và bộ phát

Hình 1.6: Phổ của chuỗi xung chưa được làm trơn (a) và của chuỗi xung được làm

trơn bằng cách dịch lên phía trước hoặc sau một khoảng nhỏ (TH)

Nếu không có vật thể nào hấp thụ hay phản xạ năng lượng thì hiện tượng này có thể không xảy ra và năng lượng bức xạ bức xạ từ bộ phát chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của anten phát Tuy nhiên, trong thực tế các vật nằm giữa bộ phát và thu tạo ra các hiệu ứng vật lí như phản xạ, hấp thụ, tán xạ, nhiễu xạ và chúng gây nên hiện tượng đa đường Do chiều dài của các đường khác nhau, các xung sẽ đến bộ thu ở các khoảng thời gian trễ khác nhau với tỉ lệ với độ dài đường đi

Các hệ thống UWB thường có đặc điểm chống đa đường Kiểm tra các xung đã

mô tả ở phần trước, chúng ta có thể thấy rằng nếu các xung đến trong khoảng một độ rộng xung chúng sẽ gây nhiễu và nếu chúng tách biệt ít nhất độ rộng một xung chúng

sẽ không gây nhiễu Nếu các xung không bị chồng lấn, chúng có thể được lọc ra trong miền thời gian hay nói cách khác có thể bỏ qua Giả thiết rằng một kí hiệu điều chế trên một xung thì chúng sẽ không gây giao thoa trong cùng một kí hiệu Mặt khác năng lượng từ các thành phần đa đường lại có thể cộng lại trong một bộ thu Rake Hình 1.8

và 1.9 mô tả các xung không chồng lấn và chồng lấn tương ứng

Hình 1.7: Mô hình đa đường điển hình trong nhà, xung phát bị phản xạ bởi các vật thể trong nhà tạo ra các phiên bản của xung ở bộ thu với cường độ, độ trễ khác nhau

Từ biểu thức: ∆ = ∆d c t. Trong đó ∆d, ∆t là chênh lệch quãng đường, thời gian đến bộ thu giữa hai thành phần đa đường tương ứng Để hai thành phần đa đường không chồng lấn nhau thì ∆ ≥t pw Do đó khoảng thời gian tách biệt cần thiết giữa các đường để tránh hiện tượng chồng lấn giảm khi độ rộng xung giảm đi Đây là lí do độ rộng xung càng nhỏ càng tốt đặc biệt trong môi trường trong nhà

Một phương pháp khác để giảm nhiễu đa đường là giảm thời gian chiếm dụng (duty cycle) của xung Bằng cách phát những xung với khoảng thời gian lớn hơn độ trễ

đa đường lớn nhất, những phản xạ không mong muốn có thể bị loại bỏ dễ dàng ở đầu thu Cách này rõ ràng là không hiệu quả và tạo ra giới hạn tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối

đa đối với một hệ thống với phương pháp điều chế cho trước Trong trường hợp giới hạn nếu các xung được phát liên tục thì hệ thống sẽ tương tự với hệ thống truyền dẫn sóng dạng sin

Hình 1.8: Hai xung đến với khoảng thời gian lớn hơn độ rộng một xung sẽ không

chồng lấn và sẽ không gây nhiễu

3.5 Các đặc điểm khác

Tốc độ phát dữ liệu

Một trong những lợi ích của truyền dẫn UWB cho truyền thông là tốc độ cao của

nó Hiện nay tốc độ chip liên tục được cải thiện, phần lớn các ứng dụng nhằm đạt tốc

độ trong khoảng 100 Mb/s tới 500 Mb/s, tương đương Ethernet có dây tới USB 2.0 Tốc độ đó tương đương với 100 đến 500 lần tốc độ của Bluetooth, khoảng 50 lần tốc

độ của 802.11b hay 10 lần tốc độ của WLAN

Như thấy ở bảng 1.1 tốc độ dữ liệu hướng tới cho truyền dẫn UWB trong nhà là trong khoảng 110 Mb/s đến 480 Mb/s, khá lớn so với các chuẩn không dây hiện nay Thực tế tốc độ truyền dẫn hiện tại được chuẩn hoá vào ba tốc độ: 110 Mb/s với khoảng cách cỡ là 10 m, 200 Mb/s với khoảng cách cỡ 4 m và 480 Mb/s với khoảng cách nhỏ hơn 4m

Lí do của các loại khoảng cách này dựa trên chủ yếu các ứng dụng khác nhau Ví

dụ, 10m phù hợp với kích thước của một phòng Khoảng cách nhỏ hơn 4m phù hợp với các thiết bị như home server và ti vi Khoảng cách nhỏ hơn 1m phục vụ cho các thiết bị trong máy tính cá nhân

Hình 1.9: a) Hai xung chồng lấn và b) dạng sóng thu được bao gồm các xung chồng

lấn

Một trong những lợi thế quan trọng của kĩ thuật UWB là độ phức tạp ít và giá thành hạ, với lượng rất ít thiết bị RF Số lượng thiết bị ít dẫn đến giá thành thấp Bộ phát UWB đơn giản nhất chỉ bao gồm bộ tích phân xung, mạch định thời, và một anten

Bảng 1: So sánh tốc độ của UWB với các chuẩn không dây cũng như có dây

Công suất tiêu thụ thấp

Với thiết kế hợp lí thiết bị UWB có công suất tiêu thụ tương đối thấp Công suất

tiêu thụ mục tiêu của các chip UWB là nhỏ hơn 100 mW Bảng 1.2 đưa ra số liệu của

về công suất tiêu thụ của các chip truyền thông di động khác

Chip ứng dụng Công suất tiêu thụ (mW) 802.11a 1500-2000

MPU 32 bit RISC di động 200

Bộ ADC camera số 150

Bảng hiển thị màu TFT trong thiết bị di động 75

LSI mã hoá trong thiết bị di động 19

Bảng 2: Công suất tiêu thụ của UWB và các chip truyền thông di động khác

4 Các lĩnh vực ứng dụng của UWB

R&O (Report and Order) định nghĩa ba loại hệ thống UWB là: Các hệ thống

chụp ảnh, các hệ thống truyền thông và đo đạc, và các hệ thông rada giao thông Phổ

tần áp dụng cho các ứng dụng trên được liệt kê ra ở bảng 1.3

4.1 Các mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)

Đây là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của UWB Được hiểu là các mạng vô tuyến trong nhà WPAN kết nối trong một khoảng cách ngắn (thường là từ 10-20 m) giữa các thiết bị di động, các thiết bị truyền thông Chúng cho phép truyền thông video và audio thời gian thực chất lượng cao, truyền file giữa các hệ thống lưu trữ, thay thế dây cáp cho các hệ thống giải trí tại nhà Điều này có thể chứng tỏ một đặc điểm thú vị là xây dựng hệ thống với các thiết bị toàn số trong tương lai gần

Hình 1.10: Kết nối các thiết bị sử dụng UWB

Một điểm khác nữa là tất cả các thiết bị có thể được kết nối tốc độ cao với nhau qua giao diện vô tuyến Nó kết nối tất cả các loại thiết bị đa dạng như: các PDA, máy

di động, TV, tủ lạnh, máy tính và tất cả các bộ cảm biến đồng thời các thiết bị này có

thể biết được vị trí của các thiết bị khác do khả năng định vị của tín hiệu UWB Điều này mở ra một loạt các khả năng áp dụng các dịch vụ mới Chẳng hạn như điều khiển

từ xa từ thiết bị di động các ứng dụng trong nhà hay hệ thống an ninh thực hiện nhận diện và mở cửa cho bạn … Do đó, kĩ thuật UWB phát triển có thể xây dựng lớp vật lí đầy hứa hẹn cho các hệ thống WPAN do đặc điểm tốc độ cao trên khoảng cách ngắn, với giá thấp, công suất thấp và tỉ lệ thời gian chiếm thấp

4.2 Các mạng cảm biến (Sensor Network)

Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các trạm trải trên một vùng nào đó Các trạm có thể cố định, ví dụ triển khai để theo dõi tình trạng ô nhiễm; hoặc di động, nếu được trang bị cho binh lính, lính cứu hoả, hoặc robot trong quân đội và trong giải quyết các tình trạng khẩn cấp.Yêu cầu quan trọng cho mạng cảm biến vận hành trong các điều kiện khó khăn trên là giá thành rẻ, tiêu tốn ít năng lượng, và đa chức năng Các hệ thống truyền thông UWB tốc độ cao cho phép thu thập, phân phối và trao đổi một lượng lớn thông tin cảm biến trong thời gian ngắn Đặc biệt, năng lượng là rất hạn chế trong mạng cảm biến so với các mạng WPAN bởi khó khăn trong việc nạp lại acqui cho các thiết bị cảm biến Các nghiên cứu chỉ ra áp dụng công nghệ UWB cho mạng cảm biến đáp ứng những yêu cầu về năng lượng và giá thành Hơn nữa, có thể khai thác khả năng định vị chính xác của UWB đặc biệt tại những nơi GPS chưa được

với các ứng dụng khác như chụp ảnh xuyên tường, lòng đất, và đại dương; hay các thiết bị chẩn đoán y tế, giám sát đường biên giới

4.4 Các hệ thống rada giao thông

Cảm biến dựa trên UWB có khả năng cải thiện vấn đề của các sensor chuyển động ở khoảng cách ngắn Dựa vào khả năng định vị có độ chính xác cao của UWB, có thể xây dựng các hệ thống điều khiển giao thông và tránh tai nạn thông minh Các hệ thống này có thể cải thiện hoạt động của các túi khí bảo hiểm trong phương tiện giao thông và hỗ trợ điều khiển giao thông cũng như tự thay đổi chế độ hoạt động phù hợp tình trạng giao thông Kĩ thuật UWB còn có thể tích hợp vào các hệ thống giải trí và dẫn đường trong phương tiện giao thông bằng cách tải dữ liệu từ các bộ phát UWB hướng dẫn dọc theo hai bên đường

5 Tổng kết chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống cũng như tín hiệu UWB, và phân tích một số khía cạnh của tín hiệu UWB như phổ tần, dạng xung của xung UWB Điều đặc biệt quan trọng của hệ thống UWB là công suất phát cũng như mật độ phổ công suất của tín hiệu UWB bị giới hạn bởi mặt nạ phổ công suất do FCC đưa ra Chúng ta thấy rằng do công suất phát trên phổ tần rất thấp -41.3 dB/ MHz, trong điều kiện của phading, chúng rất ít có khả năng gây nhiễu đến các hệ thống truyền thông vô tuyến khác Độ rộng xung cực nhỏ nên các xung có thể phân biệt với các thành phần đa đường không mong muốn khác dễ dàng do khả năng phân giải thời gian cao Điều này dẫn đến đặc điểm chống đa đường của tín hiệu UWB Ngoài các ưu điểm ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông các đặc tính khác của tín hiệu UWB như khả năng đâm xuyên vật thể và khả năng định vị cao làm cho công nghệ UWB có phạm vi ứng dụng rất rộng như truyền thông, rada, chụp ảnh v.v cũng như tích hợp hiệu quả đồng thời nhiều ứng dụng trên nền tảng công nghệ này Chẳng hạn như tất cả các thiết bị trong

phòng có thể thực hiện truyền thông vô tuyến tốc độ cao với nhau đồng thời có thể biết được vị trí của nhau

Hơn nữa, do đặc điểm các bộ thu và phát không cần các linh kiện lớn và đắt đỏ của tầng trung tần do không phải thực hiện chuyển đổi trung tần (IF) nên có thể giảm giá thành, kích cỡ, trọng lượng, và công suất tiêu thụ đáng kể của các hệ thống UWB

so với các hệ thống truyền thông băng hẹp khác

Chụp ảnh tần thấp [GHz]

Chụp ảnh tần cao [GHz]

Chụp ảnh tần trung bình [GHz]

Rada giao thông [GHz]

[3.1,10.6] [3.1,10.6] <0.960 [3.1,10.6] [1.99,10.6] [22,29]

Bảng 3: Dải tần quy định cho các lĩnh vực ứng dụng UWB khác nhau

CHƯƠNG 2: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ

TRỰC GIAO (OFDM)

1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây

2 Lịch sử phát triển OFDM

OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao” dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT (Centre Commun d’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa đuợc sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

3 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian ký hiệu 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 gian

bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký hiệu OFDM

được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa

sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có

thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang

chồng phổ, ta cần triệt tiêu xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần

trực giao với nhau

Hình 2 1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang

chồng xung (b)

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang

lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong

OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ

thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ

số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

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

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những ký hiệu hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI

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

do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN, …

Hình 2 2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các ký hiệu hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận 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 thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần

số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB),

y f (n )

Ước lượn

g kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo

Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM

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

dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc

độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều

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

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 2 3: Phổ của sóng mang con OFDM

3.1 Đơn sóng mang (Single Carrier)

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

chỉ trên một sóng mang

Hình 2 4: Truyền dẫn sóng mang đơn

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền

trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng

nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệ

thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính

là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn

sóng mang

3.2 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang,

mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi

chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên

cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích

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

được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi

tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và

giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có

khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

Hình 2 5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền

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

thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]:

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

)) ( ( 2 1

0

1 )

l

k

a N

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

trong symbol OFDM thứ l

N : số sóng mang nhánh