ghép kênh phân chia theo tần số mã hóa trực giao (cofdm)

Kể từ thập niên tám mươi, sóng mang đơn đượctruyền đi nhiều hơn và bằng các phương pháp kỹ thuật số trong sự đánh tín hiệudịch tần số FSK và trong nhiều trường hợp là vector điều chế QPS

MỤC LỤC

CHƯƠNG 19: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ MÃ HÓA

TRỰC GIAO (COFDM) 3

19,1 Tại sao lại sử dụng đa sóng mang? 5

19.2 COFDM là gì? 8

19.3 Hình thành các biểu tượng COFDM 13

19.4 Bổ sung tín hiệu trong phổ COFDM 25

19.5 Điều chế phân cấp 28

19.6 Tổng kết 29

CH ƯƠ NG 19: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO T N Ầ

Khoảng 100 năm trước khi bắt đầu việc truyền tải điện của các bản tin, sóngmang đơn là phương pháp đã được sử dụng cho truyền tải thông tin Các thông báođược truyền đi rất nhanh dưới dạng hình sin bằng cách áp dụng biên độ analog , kỹthuật điều chế tần số hoặc pha Kể từ thập niên tám mươi, sóng mang đơn đượctruyền đi nhiều hơn và bằng các phương pháp kỹ thuật số trong sự đánh tín hiệudịch tần số (FSK) và trong nhiều trường hợp là vector điều chế (QPSK, QAM).Các ứng dụng này là fax, modem, vô tuyến di động, sóng liên kết và truyền hình

vệ tinh và truyền tải dữ liệu qua cáp băng thông rộng

Tuy nhiên, đặc điểm của các đường truyền trong phương pháp truyền sóngmang đơn rất nhạy cảm với nhiễu, phức tạp hoặc không đầy đủ Kể từ thời củaMarconi và Hertz, tuy nhiên, nó là những đường truyền được sử dụng thườngxuyên nhất Ngày nay, tất cả các thế hệ của transistor radios, máy thu truyền hình

và điện thoại di động hoặc đơn giản, máy bộ đàm, tất cả đều hoạt động với một nhàcung cấp dịch vụ điều chế sóng mang mặt đất Mỗi lái xe có thể nhận được tín hiệu

từ các chương trình phát thanh mà ông ta nghe khi đi trên đường, khi dừng lại ởđèn đỏ - ông ta ở trong một 'điểm chết' Do tiếp nhận nhiều đường truyền, pha đinhxảy ra ở tần số và vị trí chọn lọc Trong truyền hình, tốc độ truyền bình thường vớibăng thông lên đến 8 MHz, được sử dụng cho các phương pháp truyền dẫn kỹ thuật

số đáng tin cậy Sử dụng một đa sóng mang là một trong những phương pháp tiếpcận đáng tin cậy Các thông tin kỹ thuật số này không chỉ truyền thông qua một nhàcung cấp dịch vụ mà qua nhiều nhà cung cấp dịch vụ phụ khác khi có nhiều lõi ở

dữ liệu

Những phương pháp này, đã được biết đến từ những năm bảy mươi:

• Ghép kênh phân chia theo tần số mã hóa trực giao (COFDM)

• Đa âm gián đoạn (DMT)

Chúng được sử dụng

• Phát thanh quảng bá số (DAB),

• Truyền hình quảng bá số mặt đất (DVB-T),

• Đường dây thuê bao không đối xứng (ADSL),

• Truyền của các tín hiệu dữ liệu thông qua các đường dây điện

Khái niệm về điều chế đa sóng mang xuất phát từ phòng thí nghiệm Bell ở Mỹ[CHANG] và ý tưởng ở Pháp trong những năm bảy mươi Trong những ngày đó,các con chip không đủ để phát triển những ý tưởng đó Mãi cho đến nhiều năm sau

đó, đầu những năm chín mươi, khái niệm này đã được biến thành hiện thực vàđược áp dụng lần đầu tiên trong phát thanh quảng bá số (DAB) Mặc dù DAB cóthể không thực sự là một thành công tuyệt đối, điều này không phải do công nghệ

mà là do không phù hợp, và về nguyên tắc là do ngành công nghiệp và chính trị.Công nghệ chính là bước phát triển đầu tiên Thậm chí ngày nay, rất khó để thuyếtphục người tiêu dùng sử dụng sản phẩm trong lĩnh vực này hay lĩnh vực khác là tốthơn.Nó là điều đúng đắn để đưa đến nhiều quyết định cho người tiêu dùng, nhưng

họ phải có kiến thức về những tính năng mới, các nguyên tắc cơ bản hoặc thậm chí

thông ADSL ngày càng được chấp nhận và yêu cầu để truy cập Internet vì tốc độcủa nó, và trong trường hợp của DVB-T đang lan rộng tại các quốc gia nơi mà nóđược thúc đẩy và coi như là một công nghệ thích hợp Nếu được áp dụng một cáchchính xác, DAB và DVB-T sẽ đóng góp tốt để bảo toàn năng lượng và tần số trongkhi tại cùng một thời gian cung cấp hiệu suất tốt hơn.

Hình 19.1 Các kênh vô tuyến mặt đất

Phương pháp đa sóng mang là một phương pháp truyền phức tạp nhất trong tất

cả các phương pháp, và không có điểm nào thua kém so với phương pháp mã hóaphân chia theo thời gian Nhưng tại sao nó lại phức tạp? Lý do rất đơn giản:phương tiện truyền tải gặp nhiều khó khăn (Hình 19,1) để đối phó với môi trườngtruyền dẫn mặt đất liên quan đến:

•Đường truyền dẫn mặt đất

•Khó khăn liên quan đến điều kiện đường truyền

Các đường dẫn truyền trên mặt đất có những đặc điểm tính năng:

• Tiếp nhận đa đường thông qua đường dẫn âm phản xạ gây ra bởi sự phản xạ từcác tòa nhà, núi, cây cối, xe cộ;

• Nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN);

• Băng hẹp hoặc băng rộng gây ra bởi các nguồn vô tuyến điện khác nhau;

• Hiệu ứng Doppler, tức là tần số thay đổi trong điện thoại di động tiếp nhận

Tiếp nhận đa đường dẫn đến hiện tượng chọn lọc tần số bị sai (Hình 19,2), mộthiệu ứng được gọi là "hiệu ứng đèn đỏ" của radio trong xe hơi Chiếc xe dừng lại ởđèn đỏ và không nhận được tin hiệu Nếu chọn một trạm khác hoặc di chuyển xe

về phía trước, tiếp nhận sẽ phục hồi Nếu thông tin được truyền bởi sóng mang rờirạc thì ở một tần số đặc biệt, âm phản xạ sẽ gây ra hủy nhận tín hiệu tại các địađiểm cụ thể ở tần số này Hiệu ứng này là một hàm của tần số, cường độ và độ trễcủa âm phản xa

Hình 19.2 Chuyển giao chức năng của một kênh vô tuyến với tiếp nhận đa đường,

chọn lọc tần số Fading

Nếu tỷ lệ dữ liệu cao của các tín hiệu kỹ thuật số được truyền qua vector điềuchế sóng mang (điều chế I / Q), nó sẽ phát triển một băng thông với tỷ lệ tươngứng.

Băng thông có sẵn thường được chỉ định Tỷ lệ băng thông được duy trì từ cácloại điều chế và tốc độ dữ liệu Tuy nhiên, phương pháp đơn sóng mang có một tốc

độ băng thông tương đối cao, thường là từ 1 MS/s đến 30 MS/s Điều này dẫn đếnthời gian biểu diễn rất ngắn khoảng 1 μs và ngắn hơn (nghịch đảo của tỷ lệ biểutượng) Tuy nhiên, độ trễ của âm phản xạ có thể dễ dàng biểu diễn được trongphạm vi lên đến 50 μs hoặc nhiều hơn trong truyền dẫn mặt đất Âm phản xạ sẽdẫn đến can nhiễu liên kí tự giữa các biểu tượng liền kề hoặc các biểu tượng cách

xa nhau Một thủ thuật là tạo ra biểu tượng thời gian dài nhất có thể để giảm cannhiễu và sự tạm dừng được chèn vào giữa các biểu tượng, gọi là khoảng bảo vệ

Hình 19.3: Can nhiễu liên ký tự / nhiễu xuyên âm liên ký tự với tiếp nhận đa

đường

Hình 19.4: COFDM: Đa sóng mang trong kênh vô tuyến với fading

Tuy nhiên, vẫn còn có các vấn đề về vị trí và chọn lọc tần số hiện tượng fading.Nếu sau đó thông tin không được truyền thông qua một nhà cung cấp dịch vụ duynhất nhưng được phân phối trên nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác và một lỗi bảo vệtổng thể tương ứng được xây dựng, băng thông kênh có sẵn còn lại không đổi, cácnhà cung cấp cá nhân hoặc nhà cung cấp dịch vụ bị ảnh hưởng bởi fading, nhưngkhông phải tất cả trong số đó

Vào cuối bên nhận, các thông tin lỗi có thể được phục hồi từ các sóng mangkhông bị ảnh hưởng để có thể tái tạo lại dòng dữ liệu bằng các phương tiện bảo vệlỗi Tuy nhiên, hàng ngàn sóng mang phụ được sử dụng thay vì một sóng mang, tỷ

lệ biểu tượng giảm bởi các yếu tố của số lượng sóng mang phụ và các biểu tượngtương ứng kéo dài vài nghìn lần trên 1ms Các vấn đề về fading được giải quyết, vàcùng một lúc, giải quyết các vấn đề can nhiễu liên kí tự do biểu tượng dài hơn vàkhoảng dừng phù hợp giữa chúng

Một phương pháp đa sóng mang được tạo ra và được gọi là ghép kênh phânchia theo tần số mã hóa trực giao (COFDM) Nó cần thiết để thấy rằng các sóngmang lân cận không can thiệp đến nhau, tức là trực giao với nhau

19.2 COFDM là gì?

Ghép kênh phân chia tần số trực giao là một phương pháp đa sóng mang vớihàng ngàn sóng mang phụ, trong đó không có sự can thiệp giữa các sóng mang vìtrực giao với nhau Các thông tin được truyền tải được phân phối xen kẽ qua nhiềusóng mang, có thêm bảo vệ lỗi thích hợp, kết quả là ghép kênh phân chia theo tần

số mã hóa trực giao (COFDM) Mỗi sóng mang con là vector điều chế, tức làQPSK, 16QAM và thường lên đến 64QAM điều chế

COFDM là một hỗn hợp của trực giao (vuông góc với nhau hoặc nói cách khác,không can thiệp lẫn nhau) và phân chia tần số (phân chia thông tin thành sóngmang phụ trong miền tần số)

Trong một kênh truyền dẫn, thông tin có thể được truyền liên tục hoặc truyềntrong các khe thời gian Sau đó có thể truyền dẫn các thông điệp khác nhau trongkhe thời gian khác nhau, ví dụ như luồng dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau Khethời gian là phương pháp đã được áp dụng từ lâu, chủ yếu là trong điện thoại choviệc truyền tải các cuộc gọi khác nhau trên một dòng, một kênh vệ tinh cũng là mộttrong các kênh vô tuyến di động Điển hình cho sự can nhiễu gây ra bởi một điệnthoại phù hợp với các tiêu chuẩn GSM về chiếu xạ vào hệ thống stereo và bộtruyền hình có nguồn gốc từ phương pháp khe thời gian này, nó được gọi là đa truynhập phân chia theo thời gian (TDMA) Tuy nhiên, nó cũng có thể chia nhỏ mộtkênh truyền dẫn của một băng thông nhất định trong miền tần số, kết quả là mộttrong các kênh phụ đó có thể được đặt một sóng mang phụ Mỗi sóng mang phụđược điều chế độc lập và mang thông tin riêng của mình Các sóng mang phụ này

có thể được điều chế vector, tức là QPSK, 16QAM và thường điều chế 64QAM Tất cả các sóng mang phụ được đặt cách nhau cách nhau một khoảng thời gianliên tục Δf Một kênh thông tin liên lạc có thể chứa đến hàng ngàn sóng mang phụ,một trong số đó có thể mang theo các thông tin từ một nguồn để làm với bất kỳ

một sóng mang phụ khác Tuy nhiên, nó cũng có thể cung cấp một dòng dữ liệuduy nhất với bảo vệ lỗi và sau đó chia nó vào nhiều sóng mang phụ Sau đó thựchiện ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Như vậy, sau khi thực hiện FDM,một dòng dữ liệu được phân chia và truyền đi trong một kênh, không phải thôngqua một sóng mang duy nhất mà qua hàng ngàn sóng mang nhỏ, điều chế vector kỹthuật số Kể từ khi các sóng mang phụ rất gần với nhau, ví dụ như với khoảng cáchmột vài kHz, việc kiểm tra phải được thực hiện để thấy rằng các sóng mang phụkhông can thiệp với nhau Các sóng mang phải trực giao với nhau Trực giao cónghĩa là vuông góc với nhau, nhưng trong kỹ thuật truyền thông thường có nghĩa làtín hiệu mà không ảnh hưởng đến nhau do đặc điểm nhất định. Các sóng mang liền

kề của một hệ thống FDM ảnh hưởng đến nhau ở một mức độ nhiều hay ít? Người

ta phải bắt đầu với một xung hình chữ nhật và biến đổi Fourier (Hình 19,5) Mộtxung đơn chữ nhật trong khoảng thời gian Δt = sin(x)/x cung cấp một quang phổhình chữ trong miền tần số, với giá trị tương ứng trong khoảng cách ngoài bởimột hằng số ∆f=1/∆t trong quang phổ Một xung hình chữ nhật thể hiện mộtquang phổ liên tục, tức là thay vì các dòng quang phổ rời rạc là một đường congliên tục sin(x) / x

Hình 19.5: Biến đổi Fourrier của một xung vuông góc

Nhờ biến đổi thời gian Δt của xung hình chữ nhật dẫn đến thay đổi khoảng cách

Δf của các giá trị tương ứng trong quang phổ Nếu Δt có xu hướng tiến tới không,giá trị tương ứng trong quang phổ sẽ có xu hướng về vô cực Điều này kết quảtrong một xung Dirac có phổ vô hạn chứa tất cả các tần số Nếu Δt có xu hướnghướng tới vô cùng, giá trị tương ứng trong quang phổ sẽ có xu hướng tiến tớikhông Kết quả này trong một đường quang phổ tần số bằng không là DC Tất cảtrường hợp ở giữa chỉ đơn giản là tương ứng với

Δf = 1/Δt,

Một chuỗi mạch hình chữ nhật với chu kì Tp và chiều rộng mạch Δt tương ứngvới sự biến thiên của hàm số sin(x)/x nhưng chỉ tồn tại ở những vạch phổ riêng biệtcách nhau 1 khoảng fp=1/Tp tuy nhiên vẫn phải tuân theo sự biến thiên của hàm sốsin(x)/x

Tiếp theo là mối quan hệ giữa xung chữ nhật và tính trực giao? Tín hiệu củasóng mang có hình sin Tín hiệu hình sin của tần số fs=1/Ts dẫn tới 1 vạch phổ vớitần số fs và –fs trong dải tần Tuy nhiên sóng mang hình sin mang thông tin về biên

độ và sự đánh tín hiệu dịch tần số

Carrier spacing : khoảng cách sóng mang

Channel bandwidth: kênh băng thông

Hình 19.6: Ghép kênh phân chia theo tần số mã hóa trực giao ( COFDM)

Những tín hiệu sóng mang hình sin này không kéo dài liên tục từ âm vô cùng tớidương vô cùng nhưng sau 1 thời điểm Δt nhất định biên độ và dao động của chúng

bị thay đổi Vì vậy có thể tưởng tượng tín hiệu sóng mang điều chỉnh bao gồm cácphần hình sin được chia nhỏ ra, vì vậy đc gọi là burst packets Về mặt toán học,một tích chập xảy ra trong dải tần, điều đó có nghĩa là quang phổ của mạch cửa sổhình chữ nhật và của sóng hình sin bị chồng lên nhau Trong dải tần đó có dạngsin(x)/x tại fs và –fs thay vì vạch phổ riêng rẽ Các ký tự rỗng của quang phổsin(x)/x được miêu tả bằng chiều dài của cửa sổ chữ nhật Δt Khoảng cách giữa các

Hình 19.7 Biểu tượng COFDM

Điều đó đúng với điều kiện của tính trực giao COFDM (Fig.19.8) :

Δf = 1/Δt

Δf là khoảng cách giữa các sóng mang phụ và Δt là kí hiệu thời gian

Nếu như ký hiệu thời gian của hệ thống COFDM được biết, khoảng cách giưa các sóng mang phụ có thể suy ra trực tiếp, và ngược lại

Trong DVB - T, các điều kiện sau được áp dụng cho chế độ 2 k và 8 k

(Bảng 19.1):

Bảng 19.1 Các phương thức COFDM trong DVB-T

Kí hiệu thời gian 1/∆f = ~ 250μs ~ 1 ms

Điều kiện trực giao: Δf = 1/Δt

Hình 19.8 Điều kiện trực giao trong COFDM

Trong COFDM, thông tin được truyền đầu tiên là bảo vệ lỗi, nghĩa là thông tin

bổ sung trước luồng dữ liệu này bao gồm trọng tải và bảo vệ lỗi được ghi lên nhiềusóng mang phụ Mỗi một trong hàng ngàn sóng mang phụ sau đó phải truyền 1phần luồng dữ liệu Như là trong phương pháp truyền tải của sóng mang đơn, mỗi

Mỗi sóng mang phụ được điều chỉnh độc lập với nhau Theo nguyên tắc, Bộ điềuchế COFDM có thể hình dung như là được tạo thành trên hàng ngàn bộ điều chếQAM, với mỗi ánh xạ Mỗi bộ điều chế nhận được sóng mang riêng của mình mộtcách chính xác Tất cả quy trình điều chế là đồng bộ hóa với nhau bắng cách trongmỗi trường hợp một biểu tượng chung được tạo ra có bề dài chính xác Δt = 1/Δf.Tuy nhiên, phương pháp này chỉ là trên lý thuyết: trên thực tế, chi phí của nó sẽkhông tưởng và khó kiểm soát, tuy nhiên, nó dùng để minh hoạ nguyên tắcCOFDM.

Hình.19.9 Sơ đồ khối lý thuyết của một bộ điều chế COFDM

Hình.19.10 Thực tế thực hiện của bộ điều chế COFDM bởi biến đổi Fourrier

ngược nhanh

Trên thực tế, ký hiệu COFDM tạo ra bằng quá trình lập chỉ dẫn mà trong đó haibảng là kết quả đc tạo ra, sau đó là phép biến đổi Fourier ngược nhanh ( IFFT)COFDM chỉ là kết quả của áp dụng toán học số đưa vào máy tính tốc độ độ cao(hình 19.10)

Quy trình điều chế COFDM như sau: luồng dữ liệu bảo vệ lỗi, được cung cấp từđầu, được chia vào nhiều sóng mang phụ, quá trình này gọi là phối hợp và xen kẽ.Mỗi sóng mang phụ truyền đi bằng gói tin vào mapper tạo ra mô tả về vectơ phụtương ứng, chia thành phần thực và phần ảo Hai phần được tạo ra với hàng ngànmục Nó là kết quả mô tả về miền thời gian trong miền tần số Mỗi sóng mang phụđược điều chế, được miêu tả với trục hoành và trục tung, biểu diễn toán học, nhưcosin và sin, hoặc phần thực và phần ảo Phần thực và phần ảo này bây giờ là mộttín hiệu vào cho khối xử lý tín hiệu tiếp theo, biến đổi Fourrier ngược nhanh(IFFT) Sau khối IFFT, tạo ra các ký hiệu trong miền thời gian Hình dạng tín hiệu

chứa Từ kinh nghiệm, nhiều người cảm thấy khó khăn để hình dung làm thế nàocác sóng mang được tạo ra, đó là lý do tại sao quá trình điều chế với sự trợ giúpcủa IFFT sẽ được mô tả từng bước.

Hình 19.11 Biến đổi Fourrier ngược nhanh của một phổ đối xứng

Bộ điều chế COFDM hình 19.10, bao gồm khối IFFT, tiếp sau là một bộ trộnphức phức hợp (bộ điều chế I / Q) Gồm hai đầu vào khác nhau là phần thực Re(f)

và phần ảo Im(f) trong miền tần số Sau khi thực hiện phép biến đổi Fourier ngượctrong khối IFFT kết quả đầu ra là phần thực Re(t) và phần ảo Im(t) trong miền thờigian