Các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống ofdm

TÓM TẮT LUẬN VĂN Điềi chế đa sóng mang trực giao OFDM là kiểu điều chế đang được sử dụng trong một vài hệ thống không dây để truyền tải thông tin tốc độ cao.Vấn đề cơ bản của phương pháp

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN VIỄN THÔNG -o0o -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU LIÊN SÓNG

MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên SVTH: Mạc Đức Dũng

MSHV: 12143162 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

TP.HCM, tháng 12 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 11- 04 - 1988 Nơi sinh: TP HCM

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống OFDM

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu hệ thống OFDM, các ưu và khuyết điểm của nó

2 Tìm hiểu các phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống OFDM

3 Tìm hiểu phương pháp tự triệt ICI

4 Mô phỏng hệ thống OFDM có và không có sử dụng phương pháp tự triệt ICI So sánh trên các dạng kênh truyền khác nhau

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài):

05 - 07 - 2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23 - 06 - 2014

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS.PHẠM HỒNG LIÊN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách

Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho

tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian tôi vừa qua.Những kiến

thức ấy sẽ là nền tảng cho tôi tiếp tục bước đi trên con đường sau này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn

thành luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Quang vì những góp

ý, trao đổi quan trọng trong quá trình thực hiện luận văn.Cảm ơn anh đã quan

tâm, chỉ bảo tận tình nhờ vậy luận văn có thể hoàn thành

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân đã trực tiếp hay

gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành bản luận

TÓM TẮT LUẬN VĂN Điềi chế đa sóng mang trực giao (OFDM) là kiểu điều chế đang được sử dụng trong một vài hệ thống không dây để truyền tải thông tin tốc độ cao.Vấn đề cơ bản của phương pháp này là đặc tính nhạy cảm với sự khác biệt về tần số giữa tần số của máy thu và máy phát Độ lệch tần số này tạo ra nhiễu ICI tác động lên kí tự OFDM và làm giảm chất lượng hệ thống.Luận văn nghiên cứu phương pháp tự triệt ICI để chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI.Các kết quả thu được từ mô phỏng cho thấy phương pháp này có thể giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI.Mặc dù hiệu suất sử dụng băng thông giảm đi một nửa do phải lặp lại kí tự nhưng ta có thể khắc phục bằng cách tăng số sóng mang hoặc tăng kiểu điều chế số

ABSTRACT Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a modulation scheme, which is used in several wireless systems for transferring data at high rate A well-known problem of this scheme is its sensitivity to frequency offset between the transmitted and received carrier frequencies.This frequency offset introduces inter-carrier interference (ICI) in the OFDM symbol and degrades the system performance This thesis investigates ICI self cancellation scheme for combating the effects of ICI The simulation results show that this method can reduce the effect of ICI Although the bandwidth efficiency of the scheme is reduced by half due to the repetition symbols, it can be solved by increasing the number of subcarriers or using larger signal alphabet size

Lời cam đoan

Học viên xin cam đoan đây là sản phẩm của riêng học viên.Các số liệu được trình bày trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.Các kết quả trình bày trong luận văn được lấy từ chương trình mô phỏng của học viên và chưa xuất hiện ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt trong luận văn 6

Danh sách các hình vẽ 7

Danh sách các bảng biểu 10

Lời mở đầu 13

1 Đặt vấn đề 13

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 13

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 13

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

2.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 13

3 Bố cục của luận văn 14

Chương 1: Lý thuyết cơ bản 15

1 Giới thiệu chung 15

2 Mô tả 16

3 Lý thuyết về OFDM 18

4 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 19

5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 21

6 Cơ bản về OFDM 21

6.1 Giới thiệu 21

6.2 Sự phát triển của OFDM 22

6.2.1 Phân tập theo tần số FDM 22

6.2.2 Truyền thông đa sóng mang MC 22

6.2.3 OFDM 22

6.3 Nguyên tắc cơ bản của kĩ thuật truyền OFDM 23

6.4 Thu và phát OFDM 26

7 Ưu điểm của OFDM 30

7.1 Khả năng chống trải trễ đa đường 30

7.2 Khả năng chống chịu với kênh truyền fading chọn lọc tần số 30

7.3 Hiệu quả điều chế và giải điều chế 30

7.4 Sức mạnh trước kênh truyền fading chọn lọc tần số 31

Chương 2: Ứng dụng và các vấn đề của OFDM 34

1 Ứng dụng của OFDM 34

1.1 Tổng quan 34

1.2 Phát thanh số (Digital Audio Broadcasting-DAB) 34

1.3 ADSL 35

1.4 HyperLAN2 35

1.5 Các ứng dụng khác 36

2 Các vấn đề của OFDM 36

2.1 Vấn đề về đồng bộ 36

2.2 Vấn đề về nhiễu pha 37

2.3 Vấn đề về sai lệch tần số 37

3 Phân tích OFDM 37

3.1 Kênh truyền 37

3.2 Chọn lọc tần số 37

3.3 Trải trễ 38

3.4 Vấn đề truyền băng rộng trên một sóng mang 38

3.5 Truyền dẫn đa sóng mang 39

Chương 3: Phân tích nhiễu liên sóng mang 41

Chương 4: Các phương pháp giảm nhiễu ICI 48

1 Phương pháp cân bằng miền tần số (Frequency domain equalization) 48

2 Phương pháp cửa sổ miền thời gian (Time domain windowing) 49

3 Phương pháp định dạng xung (Pulse shaping) 52

4 Phương pháp ước lượng ML (Maximum likelikood estimation) 52

5 Phương pháp dùng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman filter) 54

5.1 Vấn đề về lập công thức 54

5.2 Các giả thuyết 56

5.3 Triệt tiêu ICI 56

5.4 Quá trình ước lượng độ lệch (Offset estimation scheme) 56

5.5 Quá trình sửa sai (Offset correction scheme) 58

Chương 5: Phương pháp tự triệt ICI 60

1 Phương pháp tự triệt ICI (ICI sel cancellation scheme) 60

1.1 Điều chế trong phương pháp tự triệt ICI 60

1.2 Giải điều chế trong phương pháp tự triệt ICI 62

1.3 Tỉ số CIR 63

2 Phương pháp tự triệt ICI khác 67

2.1 Điều chế 67

2.2 Giải điều chế 68

2.3 Tỉ số CIR 69

Chương 6: Mô phỏng và kết quả 72

1 Các mô hình dùng trong mô phỏng 72

2 Các thông số dùng trong mô phỏng 75

3 Kết quả mô phỏng 77

Chương 7: Kết luận và đề xuất 113

1 Kết luận 113

2 Đề xuất 113

Tài liệu tham khảo: 114

Danh mục các từ viết tắt trong luận văn

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Phân tập tần số trực giao

DFT Dicrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

IDFT Inverse Dicrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược rời rạc ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

QAM Quarature Amplitude Modulation Điều chế biên độ

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu cộng trắng Gauss

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

CIR Carrier to Interference Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu

Danh sách các hình vẽ

Hình 1.1: Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian .17

Hình 1.2: Hệ thống OFDM cơ bản .20

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống OFDM .21

Hình 1.4: Một chu kỳ của sóng sin và cos .23

Hình 1.5: Sóng mang của tín hiệu OFDM .24

Hình 1.6: Các sóng mang của tín hiệu OFDM .25

Hình 1.7: Phổ của FDM .25

Hình 1.8: Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN .26

Hình 1.9: Khoảng bảo vệ của OFDM .29

Hình 1.10: Hiệu suất phổ của OFDM (trái) so với FDM (phải) .31

Hình 1.11: Tín hiệu và đáp ứng của kênh truyền .32

Hình 1.12: Đáp ứng của kênh truyền fading chọn lọc tần số .32

Hình 1.13: Khả năng chống chịu của OFDM trước fading chọn lọc tần số .33

Hình 2.1: Đáp ứng xung cơ bản của kênh truyền tạo ra khi truyền đa đường .38

Hình 2.2: Trải trễ .38

Hình 2.3: Bộ cân bằng .39

Hình 2.4: Truyền đa sóng mang .40

Hình 3.1: Mô hình của độ dịch tần .41

Hình 3.2: Biên độ của S(l-k) theo ε với N=16 .44

Hình 3.3: Biên độ của S(l-k) theo ε với N=64 thang dB .45

Hình 3.4: Phần thực của S(l-k) theo ε với N=16 .46

Hình 3.5: Phần ảo của S(l-k) theo ε với N=16 .47

Hình 4.1: Các sóng mang pilot .49

Hình 4.2: Phổ của 64 sóng mang con OFDM .50

Hình 4.3: Độ lệch tần số thực và ước lượng ML với các giá trị SNR khác nhau .54

Hình 4.4: Ước lượng độ lệch tần số chuẩn hóa ε, SNR=20dB .58

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI .61

Hình 5.2: So sánh |S(l-k)|, |S’(l-k)| và |S’’(l-k)| .66

Hình 5.3: So sánh CIR giữa hệ thống OFDM cơ bản và hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI .67

Hình 5.4: So sánh tỉ số CIR các phương pháp .71

Hình 6.1: Mô hình hóa kênh truyền theo độ dịch tần ε .72

Hình 6.2: Mô hình hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt ICI dùng để mô

phỏng với kênh truyền AWGN với độ dịch tần số chuẩn hóa .73

Hình 6.3: Mô hình hệ thống OFDM dùng ước lượng độ dịch tần số ML dùng để mô phỏng với kênh truyền AWGN với độ dịch tần số chuẩn hóa .73

Hình 6.4: Mô hình hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt ICI dùng để mô phỏng với kênh truyền fading với độ dịch tần số chuẩn hóa .74

Hình 6.5: Mô hình hệ thống OFDM dùng ước lượng độ dịch tần số ML dùng để mô phỏng với kênh truyền fading với độ dịch tần số chuẩn hóa .74

Hình 6.6: Hai cách chèn pilot .75

Hình 6.7: So sánh BER các hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN .77

Hình 6.8: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.1 .79

Hình 6.9: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.2 .80

Hình 6.10: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.3 .81

Hình 6.11: Độ dịch tần số ước lượng theo độ dịch tần số thực tại SNR khác nhau 82

Hình 6.12: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 .83

Hình 6.13: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.2 .84

Hình 6.14: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 85

Hình 6.15: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Indoor .86

Hình 6.16: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang 87

Hình 6.17: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang 88

Hình 6.18: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế 89

Hình 6.19: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế 90

Hình 6.20: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 .91

Hình 6.21: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.2 .92

Hình 6.22: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 .93

Hình 6.23: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Pedestrian .94

Hình 6.24: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang .96

Hình 6.25: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang .97 Hình 6.26: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế .98 Hình 6.27: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế .99 Hình 6.28: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=40km/h và Ɛ=0.1 .100 Hình 6.29: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=40km/h và Ɛ=0.2 .101 Hình 6.30: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=40km/h và Ɛ=0.3 .102 Hình 6.31: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Vehicular .104 Hình 6.32: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.1 .105 Hình 6.33: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.2 .106 Hình 6.34: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.3 .107 Hình 6.35: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang 108 Hình 6.36: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang 109 Hình 6.37: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế .110 Hình 6.38: So sánh BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế .111

Danh sách các bảng biểu

Bảng 3.1: Biên độ của S(l-k) theo với N=16 44

Bảng 3.2: Phần thực của S(l-k) theo với N=16 46

Bảng 3.3: Phần ảo của S(l-k) theo với N=16 47

Bảng 5.1: So sánh CIR giữa hệ thống OFDM cơ bản và hệ thống

OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI

67

Bảng 5.2: So sánh CIR các phương pháp. 71

Bảng 6.1: Thông số của mô hình Indoor 76

Bảng 6.2: Thông số của mô hình Pedestrian 76

Bảng 6.3: Thông số của mô hình Vehicular 76

Bảng 6.4: Số liệu BER của các hệ thống OFDM trên kênh truyền

AWGN

78

Bảng 6.5: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.1 79

Bảng 6.6: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.2 80

Bảng 6.7: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.3 81

Bảng 6.8: Số liệu độ dịch tần số ước lượng theo độ dịch tần số thực tại

SNR khác nhau

83

Bảng 6.9: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 84

Bảng 6.10: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với

Bảng 6.12: Số liệu độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Indoor 86

Bảng 6.13: Số liệu BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi tăng số

v=60km/h và Ɛ=0.3.

Bảng 6.32: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và

Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang.

109

Bảng 6.33: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và

Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang.

110

Bảng 6.34: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và

Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế.

111

Bảng 6.35: Số liệu BER trên kênh truyền Vehicular với v=60km/h và

Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế.

112

Lời mở đầu

1 Đặt vấn đề

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật truyền thông tin tốc độ cao được ứng dụng trong một vài chuẩn không dây như IEEE 802.11 hay HyperLAN2 Khuyết điểm của OFDM là sự nhạy cảm của nó đối với độ lệch tần

số giữa tần số của máy phát và tần số của máy thu.Sự khác biệt về tần số này tạo ra nhiễu liên sóng mang ICI (Inter Carrier Interference) lên kí tự OFDM.Luận văn sẽ nghiên cứu phương pháp tự triệt ICI (ICI self cancellation), một phương pháp làm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu ICI lên tín hiệu OFDM

Đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp này, tuy nhiên:

- Chỉ mô phỏng phương pháp với mô hình kênh truyền AWGN với độ lệch tần số chuẩn hóa, chưa mô phỏng với các mô hình kênh truyền thực tế khác

- Hệ thống OFDM dùng để mô phỏng là hệ thống OFDM cơ bản nhất

- Khuyết điểm của phương pháp này là hiệu suất sử dụng băng thông bị giảm đi một nửa.Luận văn cũng đưa ra hai cách khắc phục điều này, đồng thời mô phỏng

để xem cách nào khả thi hơn

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Áp dụng phương pháp tự triệt ICI vào hệ thống OFDM, chứng minh rằng phương pháp này giúp hệ thống OFDM chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI tốt hơn.Tiến hành mô phỏng hệ thống trên các dạng kênh truyền khác nhau đồng thời

so sánh với phương pháp ước lượng độ dịch tần số.Mô phỏng để tìm ra cách khắc phục khuyết điểm của phương pháp tự triệt ICI

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu phương pháp tự triệt ICI

- Áp dụng vào hệ thống OFDM chuẩn WiMAX

2.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

OFDM là phương pháp đang được nghiên cứu ứng dụng trong các chuẩn mới

về truyền tải thông tin không dây tốc độ cao.Nó là nền tảng cho các hệ thống truyền thông tương lai.Nhiễu ICI là yếu tố chính làm giảm chất lượng của hệ thống

OFDM.Việc tìm ra các phương pháp để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống OFDM là điều cần quan tâm

3 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm các chương sau:

- Chương 1: Lý thuyết cơ bản

- Chương 2: Ứng dụng và các vấn đề của OFDM

- Chương 3: Phân tích nhiễu liên sóng mang

- Chương 4: Các phương pháp giảm nhiễu ICI

- Chương 5: Phương pháp tự triệt ICI

- Chương 6: Mô phỏng và kết quả

- Chương 7: Kết luận và đề xuất

Chương 1:

Lý thuyết cơ bản

1 Giới thiệu chung

Năm 1966, Chang đưa ra mô hình OFDM cơ bản và đạt được bằng sáng chế năm 1970 OFDM là kĩ thuật truyền tải thông tin song song sử dụng một số lượng lớn sóng mang con được điều chế Những sóng mang con này chia nhau phần băng thông hữu dụng và vừa đủ tách biệt trên miền tần số sao cho chúng vẫn còn trực giao với nhau

Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất ra hệ thống OFDM [1] sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform-DFT) để tạo ra các sóng mang con trực giao thay cho việc sử dụng các máy tạo sóng sin.Bằng cách sử dụng các khối biến đổi DFT ngược (Inverse Discrete Fourier Transform-IDFT) và các bộ chuyển đổi số-tương tự, họ đã giảm được đáng kể độ phức tạp của hệ thống Trong mô hình được đưa ra, tín hiệu băng gốc được điều chế bởi biến đổi IDFT tại máy phát và được giải điều chế bởi biến đổi DFT tại máy thu.Với mô hình này, tất cả sóng mang con sẽ chồng lấp lên nhau trong miền tần số trong khi biến đổi DFT sẽ đảm bảo chúng vẫn trực giao với nhau

Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix-CP) cho hệ thống OFDM được đưa ra lần đầu tiên bởi Peled và Ruiz vào năm 1980 [2].Khoảng bảo vệ được thêm vào để tránh sự chồng chập của 2 ký tự OFDM liên tiếp khi truyền tín hiệu để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.Sử dụng khoảng bảo vệ đã đánh đổi một phần năng lượng hữu ích khi truyền tải tuy nhiên phương pháp này giúp giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xuyên kí tự (Inter Symbol Interference-ISI).Vì vậy khoảng bảo vệ được các chuẩn IEEE hiện tại đề xuất thực hiện

Năm 1980, Hirosaki đưa ra thuật toán cân bằng để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu ISI và nhiễu xuyên sóng mang (Inter Carrier Interference-ICI) [3] tạo ra do méo dạng kênh truyền, sai số do đồng bộ hay sai số về pha của tín hiệu Đồng thời, Hirosaki cũng sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot và mã hóa vào hệ thống OFDM tốc độ cao của mình

Năm 1985, Cimini đưa ra phương thức cơ bản về pilot để giảm ảnh hưởng của nhiễu do đa dường [4].Những năm 1990, hệ thống OFDM được khai thác sử dụng cho việc thông tin tốc độ cao.Trong chuẩn IEEE 802.1, tần số sóng mang có thể rất cao lên đến 2.4 GHz hay 5 GHz Những nghiên cứu gần đây hướng đến sử dụng hệ thống OFDM hoạt động ở các tần số cao hơn gấp nhiều lần.Ví dụ, chuẩn IEEE 802.16 đưa ra tần số hoạt động từ 10 GHz đến 60 GHz

Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm của hệ thống OFDM là nó rất nhạy cảm với sai lệch về tần số, nguyên nhân tạo ra nhiễu ICI.Sự xuất hiện không mong muốn của ICI ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.Nhiều tác giả đã đề xuất các phương thức khác nhau để giảm ảnh hưởng của ICI.Đó cũng là một trong những mục tiêu của luận văn

2 Mô tả

OFDM là sự kết hợp giữa điều chế và phân tập.Phân tập ảnh hưởng đến các tín hiệu độc lập với nhau được tạo ra từ các nguồn khác nhau.Trong hệ thống FDM, tín hiệu đầu tiên được chia thành nhiều kênh độc lập, được điều chế từ dữ liệu sau

đó kết hợp lại thành sóng mang FDM Nếu hệ thống FDM trên sử dụng tập hợp các sóng mang con trực giao với nhau thì hiệu suất sử dụng phổ sẽ tốt hơn.Khoảng bảo

vệ là cần thiết để tách biệt 2 kí tự trong hệ thống FDM có thể bỏ qua nếu các sóng mang con là trực giao.Việc sử dụng sóng mang trực giao cho phép phổ tần số của các sóng mang con chồng lấp lên nhau, giúp tăng hiệu suất phổ hữu ích

Khi tính trực giao giữa các sóng mang còn tồn tại, ta có thể khôi phục lại từng sóng mang con riêng biệt mà không cần quan tâm đến sự chồng chập của chúng.Với cách này ta đã tiết kiệm được gần một nửa băng thông do sự chồng lấp tần số Càng nhiều sóng mang con được sử dụng, băng thông sẽ tiến tới tỉ số

(N+1)/N bit trên Hz Số sóng mang con càng lớn thì hiệu suất phổ càng cao Ý

tưởng chính của OFDM là tính trực giao của các sóng mang con.Trực giao trong OFDM có thể hiểu là tần số của các sóng mang con có mối quan hệ chính xác về toán học Ta có thể sắp xếp các sóng mang con để chúng chồng lấp lên nhau mà vẫn có thể khôi phục lại.Để đạt được điều này, các sóng mang con phải thực sự trực giao với nhau về mặt toán học.Các sóng mang là độc lập tuyến tính nếu

khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/Ts với Ts là thời gian tồn tại của kí

tự

Tính trực giao của các sóng mang có thể được đảm bảo nếu hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Fourier.Hệ thống OFDM truyền tải một số lượng lớn sóng mang băng hẹp, mà khoảng cách giữa chúng rất gần Yêu cầu là tại tần số trung tâm của mỗi kênh không bị cross-talk bởi các kênh khác.Trong hệ thống OFDM, chuỗi bit

đầu vào được chia thành N chuỗi kí tự, mỗi kí tự có khoảng thời gian tồn tại Ts, và

mỗi chuỗi kí tự được điều chế thành các sóng mang con song song, đồng bộ Các

sóng mang con cách nhau một khoảng 1/NTs về tần số để chúng vẫn trực giao trong khoảng (0, Ts) Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian cơ bản được

mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian

Đầu tiên, bộ chuyển nối tiếp ra song song (Serial to Parallel-S/P) nhóm chuỗi

bit từ bộ mã hóa thành từng nhóm log2 M bit, với M là kích thước của điều chế số

trên mỗi sóng mang.Kết quả N kí tự, Xm, được tạo ra.Sau đó, N kí tự này được đưa

vào khối biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Transform).Đầu ra của khối IFFT tương ứng với các sóng mang con trực giao trong hệ thống OFDM Kí tự OFDM cho bởi biểu thức:

(1.1)

Với Xm là kí tự băng gốc trên mỗi sóng mang con.Khối chuyển đổi số qua tương

tự (Digital to Analog Converter-DAC) sau đó tạo ra tín hiệu tương tự trên miền thời gian.Tín hiệu này sẽ được truyền đi qua kênh truyền

Tại máy thu, tín hiệu này sẽ được chuyển đổi ngược thành chuỗi N điểm rời rạc y(n), tương ứng với mỗi sóng mang con.Tín hiệu rời rạc này được giải điều chế dùng biến đổi FFT N điểm Chuỗi kí tự sau điều chế cho bởi biểu thức:

( ) = ( ) + ( ) 0 ≤ ≤ − 1

(1.2)

Trong đó W(m) là biến đổi FFT của w(n), là nhiễu AWGN (Additive White

Gaussian Noise) tạo ra bởi kênh truyền Tốc độ truyền dữ liệu cao của hệ thống OFDM có được do truyền đồng thời các sóng mang con trực giao tốc độ thấp Do truyền tải ở tốc độ thấp nên sự méo dạng tín hiệu nhận được do trễ đa đường không đáng kể so với hệ thống truyền tốc độ cao sử dụng duy nhất một sóng mang Ví dụ, tín hiệu băng hẹp gửi dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền đa đường sẽ nhận nhiều ảnh hưởng xấu hơn từ trễ đa đường do các kí tự quá gần nhau Méo dạng do đa đường cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu xuyen kí tự ISI làm các kí tự chồng chập lên nhau.Điều này đã được ngăn chặn trong hệ thống OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ giữa các kí tự OFDM Khoảng bảo vệ này được loại bỏ ở máy thu

để loại trừ ISI.Nó phụ thuộc vào khả năng của hệ thống OFDM đối với ảnh hưởng của ISI và méo dạng đa đường.Đó là vấn đề cần quan tâm trong nhiều ứng dụng chuẩn và không dây

3 Lý thuyết về OFDM

OFDM là kỹ thuật truyền dữ liệu song song bằng cách sử dụng một số lượng lớn sóng mang con được điều chế Những sóng mang con (những kênh con) phân chia khoảng băng thông hữu ích và tách biệt vừa đủ để chúng trực giao với nhau.Điều này có nghĩa là phổ của mỗi sóng mang bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác.Kết quả là không có sự ảnh hưởng qua lại giữa các sóng mang mặc dù phổ của chúng chồng lấp lên nhau

Về lí thuyết, khoảng cách giữa các sóng mang càng nhỏ thì hiệu suất sử dụng phổ càng tối ưu.OFDM đáng quan tâm bởi vì cách nó chống lại nhiễu ISI, được tạo

ra do hiệu ứng fading đa đường chọn lọc tần số (frequency selective multipath fading) của kênh truyền không dây Mỗi sóng mang con được điều chế với tốc độ

kí tự chậm, làm cho những kí tự dài hơn đáp ứng xung của kênh truyền.Bằng cách này ảnh hưởng của ISI được giảm bớt.Hơn thế nữa, nếu thêm vào khoảng bảo vệ giữa hai kí tự OFDM liên tiếp, ảnh hưởng của ISI có thể hoàn toàn biến mất.Khoảng bảo vệ phải dài hơn thời gian trễ đa đường.Mặc dù các sóng mang con được điều chế ở tốc độ thấp nhưng khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao vẫn đạt được bằng cách sử dụng số lượng sóng mang con lớn

ISI có ảnh hưởng ít hoặc gần như không ảnh hưởng lên hệ thống OFDM vì vậy không cần có bộ cân bằng ở phía máy thu.Trong hệ thống OFDM, thuật toán biến đổi ngược nhanh Fourier/ biến đổi nhanh Fourier (IFFT/FFT) được sử dụng ở khối điều chế và giải điều chế tín hiệu.Chiều dài của vector IFFT/FFT xác định khả năng của hệ thống chống lại sai số tạo ra do kênh truyền đa đường.OFDM được thực hiện trước nhất là chọn phổ yêu cầu dựa trên dữ liệu đầu vào và phương pháp điều chế Dữ liệu được chia cho các sóng mang con để truyền tải Điện áp và pha của sóng mang được tính toán dựa theo phương pháp điều chế, cơ bản là BPSK, QPSK hay QAM.Sau đó IFFT chuyển phổ thành tín hiệu trên miền thời gian.Thuật toán FFT chuyển tín hiệu trên miền thời gian về lại phổ tần số tương ứng.Tìm dạng sóng tương ứng, tạo bởi các sóng hình sin trực giao Tần số và pha của các sóng hình sin biểu diễn phổ tần số của tín hiệu trên miền thời gian

4 Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Những điểm chính của hệ thống OFDM thực tế là:

- Một vài quá trình thực hiện trên nguồn dữ liệu, như mã hóa để sửa lỗi, sắp xếp các bit thành các kí tự (ví dụ dùng QAM)

- Những kí tự này được điều chế thành các sóng mang con trực giao Việc này thực hiện bằng thuật toán IFFT

- Tính trực giao được đảm bảo khi truyền qua kênh truyền Điều này có được bằng cách thêm khoảng bảo vệ vào mỗi khung (frame) OFDM trước khi truyền

Khoảng bảo vệ gồm có L mẫu cuối cùng của frame, được sao chép và đặt ở đầu

mỗi frame Khoảng bảo vệ phải dài hơn đáp ứng xung của kênh truyền

- Đồng bộ: Việc sử dụng khoảng bảo vệ có thể được dùng để phát hiện điểm bắt

đầu của mỗi frame Việc này thực hiện được dựa trên thực tế là L mẫu đầu và

cuối tương quan với nhau

- Giải điều chế tín hiệu nhận được bằng giải thuật FFT

- Cân bằng kênh truyền: có thể ước lượng kênh truyền thông qua các chuỗi huần luyện hoặc truyền các kí tự pilot biết trước trên các sóng mang con biết trước

- Giải mã và sắp xếp lại các bit

Tín hiệu OFDM tạo ra bởi hệ thống ở hình 1.2 bên dưới là tín hiệu băng gốc.OFDM cho hiệu suất phổ cao và phương pháp điều chế có thể điều khiển riêng

lẻ từng sóng mang.Tuy nhiên trong hệ thống phát thanh chúng được cố định chỉ thành thông tin một chiều OFDM là hệ thống nhiều sóng mang sử dụng giải thuật

biến đổi Fourier rời rạc/biến đổi Fourier nhanh (DFT/FFT) và phổ sin(x)/x cho mỗi

sóng mang con Băng thông được chia thành nhiều băng hẹp, từ 2000 đến 8000 cho truyền hình số và 48 cho Hyperlan2.Dữ liệu được truyền song song trên những băng này.Phần lớn hệ thống phát thanh bị ảnh hưởng bởi truyền đa đường Giải pháp thường sử dụng là dùng bộ cân bằng ở máy thu với tốc độ cao, những bộ cân bằng quá phức tạp Với OFDM có cách đơn giản hơn để giải quyết là dùng giải thuật DSP.Đa đường là hiện tượng có nhiều đường truyền giữa máy phát và máy thu.Tín hiệu nhận được là tổng hợp của nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu truyền với độ trễ và suy hao khác nhau

Hình 1.2: Hệ thống OFDM cơ bản

5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Tại máy phát, chuỗi bit thông tin đầu tiên được mã hóa kênh truyền để giảm xác suất lỗi tại máy thu do ảnh hưởng của kênh truyền Thường thì mã chập hay được

sử dụng Sau đó các bit được sắp xếp thành các kí tự.Thường được sử dụng là QAM hoặc QPSK Chuỗi kí tự này được chuyển sang song song và IFFT (điều chế OFDM) được sử dụng.Sau đó chuỗi dữ liệu lại được chuyển thành nối tiếp

16-Khoảng bảo vệ được thêm vào giữa các kí tự OFDM.Chuỗi kết quả được chuyển thành tương tự sử dụng DAC và chuyển qua các tầng điều chế RF.Tín hiệu

đã điều chế RF sau đó được truyền đến máy phát qua các ăng-ten phát.Chúng ta có thể định hướng sóng phát đi bằng cách sử dụng hệ thống ăng-ten Tại máy thu, giải điều chế RF được thực hiện trước tiên.Sau đó tín hiệu được chuyển về số dùng ADC và được đồng bộ về thời gian và tần số.Khoảng bảo vệ được loại bỏ khỏi mỗi

kí tự OFDM và chuỗi được chuyển thành song song và thực hiện FFT (giải điều chế OFDM) Đầu ra được chuyển thành nối tiếp và các kí tự được chuyển trở lại thành chuỗi bit mã hóa Bộ giải mã hóa trả trở lại chuỗi bit thông tin ban đầu

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống OFDM

6 Cơ bản về OFDM

6.1 Giới thiệu

OFDM trở thành hệ thống truyền thông thông dụng nhất trong thập kỉ gần đây.Sự thật OFDM được xem như là tương lai của truyền thông không dây.OFDM

là kĩ thuật truyền tải nhiều sóng mang, chia băng thông thành nhiều băng con ứng với các sóng mang con, mỗi sóng mang được điều chế với tốc độ thấp Về mặt kĩ thuật đa truy cập, OFDM tương tự như FDMA, kĩ thuật đa truy cập chia băng thông thành nhiều băng con, mỗi băng con tương ứng với người dùng Tuy nhiên OFDM sử dụng phổ hiệu quả hơn do khoảng cách của các băng con rất gần nhau Điều này đạt được bằng cách làm cho các sóng mang con trực giao với nhau, ngăn chặn được nhiễu từ các sóng mang kế cận Năm 1997, Lucent và NTT đưa ra đề nghị với IEEE vầ chuẩn không dây tốc độ cao cho mạng nội bộ (Local Area Network-LAN).Sau đó hai công ty kết hợp các đề nghị và được chấp thuận trở thành chuẩn sơ bộ vào năm 1998 và trở thành chuẩn IEEE 802.11a vào năm 1999 6.2 Sự phát triển của OFDM

Sự phát triển của OFDM có thể chia làm 3 giai đoạn gồm phân tập theo tần số (Frequency Division Multiplexing-FDM), truyền thông đa sóng mang (Multicarrier Communication-MC) và OFDM

6.2.1 Phân tập theo tần số FDM

FDM được sử dụng từ rất lâu để mang nhiều hơn một tín hiệu trên đường điện thoại.FDM sử dụng ý tưởng lấy các kênh có tần số khác nhau để mang thông tin của những người dùng (user) khác nhau.Mỗi kênh được xác định thông qua tần số truyền trung tâm.Để chắc chắn tín hiệu của kênh này không chồng lên kênh kế cận, một khoảng nghỉ hay khoảng bảo vệ được xen giữa các kênh khác nhau

6.2.2 Truyền thông đa sóng mang MC

Ý tưởng của truyền thông đa sóng mang là sử dụng kĩ thuật FDM nhưng chỉ với một dữ liệu nguồn và một đữ liệu nhận.Ý tưởng của MC là chia một tín hiệu thành nhiều tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới trên một kênh tần số riêng, kết hợp các kênh này thành tín hiệu truyền đi Tại máy thu, tín hiệu được phân trở lại các kênh tần số, giải điều chế và hợp lại thành tín hiệu ban đầu

6.2.3 OFDM

OFDM được xem như là một dạng của điều chế đa sóng mang với điều kiện khoảng cách giữa các sóng mang được lựa chọn cẩn thận để các sóng mang trực giao với nhau.Tính trực giao được đảm bảo bằng cách lựa chọn cẩn thận tần số của mỗi sóng mang con

6.3 Nguyên tắc cơ bản của kĩ thuật truyền OFDM

Như đã nói ở trên, OFDM là kĩ thuật điều chế đa sóng mang với các sóng mang

con trực giao với nhau.Trực giao có nghĩa là các tần số của các song mang con

trong hệ thống có mối quan hệ toán học chính xác.Chúng ta có thể sắp xếp các

sóng mang để chúng chồng lấp lên nhau mà vẫn có thể phục hồi tín hiệu, không bị

ảnh hưởng bởi các sóng mang kế cận Để đạt được điều này các sóng mang con

phải trực giao về mặt toán học.Hai tín hiệu là trực giao nếu tích vô hướng của

chúng bằng không.Có nghĩa là nếu chúng ta lấy hai tín hiệu đem nhân chúng với

nhau và nếu trong một khoảng tích phân bằng không ta nói hai tín hiệu trực giao

với nhau trên khoảng đó Vì các sóng mang con mang dạng sóng sin hoặc cos nên

diện tích trong một chu kỳ luôn bằng không thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4: Một chu kỳ của sóng sin và cos

Nếu lấy sóng sin có tần số m nhân với sóng sin (hoặc cos) có tần số n thì tích

của chúng cho bởi biểu thức

( ) = sin ( ) × sin ( )

(1.3)

Với m, n đều là số nguyên.Bằng biến đổi lượng giác đơn giản, tích trên sẽ bằng

tổng của hai sóng sin có tần số (n+m) và (n-m).Vì cả hai thành phần đều là sóng

sin nên tích phân của chúng bằng không trên một chu kỳ Tích phân của biểu thức

trên cho bởi:

Tổng quát với mọi số nguyên m, n, sinmx, cosmx, sinnx, cosnx đều trực giao với

nhau.Những tần số này gọi là hài hòa (harmonics)

Khi các sóng mang con trực giao, phổ của mỗi sóng mang bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang, cho phép để khoảng cách giữa chúng, trên lý thuyết, nhỏ nhất có thể Tính trực giao cho phép truyền cùng lúc nhiều sóng mang với khoảng cách tần

số nhỏ mà vẫn không gây nhiễu lên nhau thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.5: Sóng mang của tín hiệu OFDM

Hình 1.6: Các sóng mang của tín hiệu OFDM

Vì vậy tại máy thu ta có thể tách riêng lẻ từng sóng mang con.Đối với hệ thống FDM truyền thống sự chồng lấp tần số là không cho phép, vì vậy cần có khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các kênh

Hình 1.7: Phổ của FDM

6.4 Thu và phát OFDM

Hình biểu diễn sơ đồ khối của hệ thống thu và nhận OFDM Phía phát biến dữ liệu số thành tổ hợp các sóng mang với biên độ và pha.Sau đó hệ thống chuyển đổi phổ đặc trưng cho dữ liệu này qua miền thời gian thông qua biến đổi ngược Fourier (IDFT).Biến đổi ngược nhanh Fourier (IFFT) cũng thực hiện cùng chức năng như IDFT nhưng khả năng tính toán của nó nhanh hơn nhiều nên được sử dụng trong các hệ thống OFDM thực tế.Để truyền tín hiệu OFDM, tín hiệu trên miền thời gian được trộn lại đưa lên cao tần Máy thu thực hiện quá trình ngược lại so với máy phát, tín hiệu cao tần được chuyển về băng gốc để xử lý, sau đó dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Biên độ và pha của tín hiệu được lấy ra để chuyển trở lại thành dữ liệu số IFFT và FFT là hai hàm ngược nhau và được sử dụng phù thuộc là tín hiệu được truyền hay phát Dữ liệu nhị phân được truyền đi từ máy phát được so sánh với dữ liệu nhận được ở máy thu Tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate-BER) được tính toán dựa trên dữ liệu nhị phân được truyền đi

và nhận được.Kênh truyền ở đây là AWGN nên khối DAC không cần tính đến.Giống như vậy khối ADC cũng không cần thiết nhưng vẫn được biểu diễn trên

sơ đồ khối

Hình 1.8: Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN

Sắp xếp tín hiệu (Signal mapping):

Có nhiều phương pháp điều chế cho phép tính toán số lượng bit truyền đi trên một kí tự trên một sóng mang.Dữ liệu số được biến đổi bằng phương pháp điều chế trên mỗi sóng mang con.Phương pháp điều chế chuyển các từ dữ liệu thành bản đồ sao gồm phần thực và ảo (In-phase and Quarature constellation- IQ constellation)

Ví dụ 256-QAM sẽ có 256 điểm IQ trong bản đồ sao sắp xếp theo hình vuông với

16 cột cách đều trên trục thực và 16 hàng trên trục ảo Số lượng bit được truyền

trên một kí tự là log2 M, với M là số điểm trong bản đồ sao, như 256-QAM sẽ

truyền 8 bit trên một kí tự Tăng số điểm của bản đồ sao không giúp tăng băng thông truyền tải mà cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ.Ví dụ 256-QAM có hiệu suất phổ là 8 bit/s/Hz so với 1 bit/s/Hz của BPSK Tuy nhiên số lượng điểm của bản đồ sao càng lớn thì tại máy thu để giải mã chúng sẽ khó hơn nhiều

Biến đổi nối tiếp ra song song:

Dữ liệu được truyền là một chuỗi dữ liệu nối tiếp.Trong OFDM, mỗi kí tự cơ bản truyền từ 40 đến 4000 bit và việc chuyển nối tiếp thành song song là cần thiết

để chuyễn chuỗi bit dữ liệu nối tiếp đầu vào thành dữ liệu truyền trên mỗi kí tự OFDM.Dữ liệu định vị trong mỗi kí tự phụ thuộc vào phương pháp điều chế và số lượng sóng mang Ví dụ điều chế 16-QAM, mỗi sóng mang truyền 4 bit trên một

dữ liệu và nếu sử dụng 100 sóng mang thì số bit truyền trên một kí tự OFDM là

400 Tại máy thu quá trình ngược lại được thực hiện, dữ liệu trên các sóng mang được chuyển trở lại thành chuỗi dữ liệu nối tiếp ban đầu

Chuyển đổi từ miền tần số qua miền thời gian:

Thông điệp OFDM được tạo ra tại băng gốc phức Mỗi kí tự được điều chế thành các sóng mang tương ứng dùng PSK hay các dạng QAM khác nhau.Các kí tự

dữ liệu được chuyển nối tiếp thành song song trước khi truyền đi Khoảng cách tần

số giữa hai sóng mang con liên tiếp là Nπ/2 với N là số sóng mang con sử dụng

Điều nay có thể đạt được bằng cách sử dụng biến đổi Fourier ngược (IDFT), hay đơn giản hơn là biến đổi ngược nhanh Fourier (IFFT) Kết quả là kí tự OFDM tạo

trên N sóng mang chuyển thành N mẫu, với mẫu thứ i cho bởi biểu thức:

= exp 2 , 0 ≤ ≤ − 1

(1.4) Tại máy thu, thông điệp OFDM đi qua quá trình ngược lại DFT để chuyển các

kí tự bị biến đổi từ miền thời gian trở lại miền tần số Thực tế máy thu OFDM băng gốc sử dụng FFT để phục hồi lại thông tin được truyền đi

Nhiễu liên kí tự (ISI):

Trong môi trường đa đường, kí tự được truyền đi mất các khoảng thời gian khác nhau để đến máy thu trên các đường khác nhau.Xét trên tầm nhìn thẳng, kênh truyền tạo ra tán xạ trễ làm thời gian tồn tại của một kí tự bị trải ra.Sự kéo dài thời gian của một kí tự làm cho kí tự hiện tại chồng lấp lên những kí tự nhận được trước

đó và kết quả là nhiễu liên kí tự (ISI) Trong OFDM, ISI được hiểu là nhiễu trên kí

tự OFDM tạo ra do kí tự OFDM trước đó

Với cùng băng thông cho trước, tốc độ kí tự của tín hiệu OFDM chậm hơn nhiều so với truyền trên một sóng mang duy nhất.Ví dụ với điều chế BPSK một sóng mang tốc độ kí tự cũng chính là tốc độ bit truyền đi.Tuy nhiên trong hệ thống OFDM, băng thông được chia cho N sóng mang, kết quả là tốc độ kí tự chậm đi N lần so với truyền trên một sóng mang duy nhất Tốc độ kí tự thấp này làm cho hệ thống OFDM tự nhiên đã có khả năng chống lại nhiễu ISI tạo ra do truyền đa đường Truyền đa đường được tạo thành do tín hiệu truyền đi bị phản xạ bởi các vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cửa, núi… Những tín hiệu này đến máy thu với thời gian khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau.Chúng làm các

kí tự bị trải ra làm rò rỉ năng lượng giữa chúng

Khoảng bảo vệ:

Ảnh hưởng của ISI lên kí tự OFDM có thể giảm hơn nữa bằng cách thêm một khoảng bảo vệ vào đầu mỗi kí tự.Khoảng bảo vệ được sao chép từ một phần của kí tự.Việc sao chép phần cuối của kí tự này và đưa lên đầu mỗi kí tự làm cho thời gian tồn tại của kí tự dài hơn.Hình 1.9 cho ta thấy cách thêm khoảng bảo vệ vào

Tổng chiều dài của kí tự là Ts = T g +T fft, với Ts là tổng chiều dài kí tự, Tg là chiều dài khoảng bảo vệ và Tfft là kích thước IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM.Ngoài bảo

vệ kí tự OFDM khỏi ISI, khoảng bảo vệ còn giúp chống lại sai số về thời gian ở

máy thu.Khoảng bảo vệ này rất hữu hiệu để loại bỏ ISI và tổng quát nó chứa một phần tư mẫu cuối của kí tự OFDM

Hình 1.9: Khoảng bảo vệ của OFDM

Ảnh hưởng của AWGN lên OFDM:

Nhiễu luôn tồn tại trên mọi hệ thống thông tin hoạt động trên kênh truyền tương

tự vật lý như là sóng radio.Những nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt và nhiệu điện

từ của các bộ khuếch đại thu và nhiễu từ các trạm khác.Ngoài các nhiễu nội tại này còn có nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu méo dạng tín hiệu (Inter Modulation Distortion-IMD).Những nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) và giới hạn hiệu suất sử dụng phổ của hệ thống

Đó là vấn đề cần quan tâm.Chúng ta cần phải hiểu được ảnh hưởng của nhiễu lên tốc độ lỗi khi thông tin và việc đánh đổi giữa mức độ nhiễu với chất lượng của

hệ thống.Phần lớn những nguồn nhiễu trong hệ thống thông tin có thể mô hình hóa một cách chính xác sử dụng nhiễu AWGN.Nhiễu này có mật độ phổ đều (trên toàn miền tần số-hay còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gaussian về biên độ (hay còn được gọi là phân bố chuẩn) Nhiễu nhiệt hay nhiễu điện từ trong bộ khuếch đại

cơ bản có tính chất của nhiễu trắng Gaussian, cho phép ta mô hình hóa chúng

chính xác thành AWGN Phần lớn những nguồn nhiễu khác cũng có tính chất AWGN do quá trình truyền OFDM Tín hiệu OFDM có mật độ phổ phẳng và có phân bố Gaussian về biên độ nếu số lượng sóng mang con sữ dụng lớn (lớn hơn 20 sóng mang con) Vì vậy ảnh hưởng của nhiễu do các hệ thống OFDM khác lên tín hiệu cũng có tính chất của AWGN Cũng với nguyên do đó nhiễu ICI, ISI, IMD cũng có tính chất AWGN đối với tín hiệu OFDM

7 Ưu điểm của OFDM

Hệ thống OFDM có một vài ưu điểm hơn so với hệ thống điều chế một sóng mang và những điểm này giúp nó trở thành lựa chọn để thực hiện công nghệ CDMA trong hệ thống không dây tương lai Dưới đây là các ưu điểm của nó

7.1 Khả năng chống trải trễ đa đường

OFDM gần như không bị ảnh hưởng bởi trễ đa đường, là nguyên nhân tạo ra nhiễu liên kí tự (ISI) trên kênh truyền không dây.Khi thời gian tồn tại của kí tự dài hơn (có được bằng cách chuyển tốc độ dữ liệu cao thành N tín hiệu tốc độ thấp) thì ảnh hưởng của trải trễ cũng bị giảm đi với cùng một hệ số.Vì vậy cùng với việc thêm khoảng bảo vệ, tác động của nhiễu ISI gần như hoàn toàn bị loại bỏ

7.2 Khả năng chống chịu với kênh truyền fading chọn lọc tần số

Nếu kênh truyền là fading chọn lọc tần số thì kĩ thuật cân bằng phức là cần thiết tại máy thu của hệ thống điều chế một sóng mang Đối với trường hợp OFDM, băng thông được chia cho nhiều sóng mang con trực giao Vì vậy băng thông của kênh truyền cũng bị chia nhỏ trở thành các kênh truyền con fading phẳng Do đó mổi sóng mang con chỉ chịu ảnh hưởng của duy nhất fading phẳng, dù độ suy hao/ lệch pha do kênh truyền trên mỗi sóng mang con là khác nhau Tại máy thu, mỗi sóng mang con chỉ cần định lượng lại dựa trên độ suy hao/lệch pha do kênh truyền tác động lên nó Kể cả một vài trường hợp sóng mang con bị mất do fading thì với việc mã hóa và sắp xếp dữ liệu trước khi truyền ta cũng có thể khôi phục lại dữ liệu trước đó

7.3 Hiệu quả điều chế và giải điều chế

Điều chế và giải điều chế đối với các sóng mang con thực hiện bằng giải thuật IFFT và FFT, các thuật toán có hiệu suất tính toán tốt.Bằng cách thực hiện điều chế

và giải điều chế trên tín hiệu số giúp ta tránh được việc sử dụng các bộ dao động

ổn định tần số cao OFDM còn tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép

chồng lấp lên nhau

Hình 1.10: Hiệu suất phổ của OFDM (trái) so với FDM (phải)

OFDM đạt được hiệu suất phổ cao do cho phép các sóng mang con được chồng

lấp lên nhau trong miền tần số Nếu số lượng sóng mang con là N và Ts là thời gian

tồn tại của kí tự thì băng thông tổng cần là:

= + 1

(1.5) Mặt khác, tổng băng thông cần thiết khi truyền một sóng mang với cùng dữ liệu

như trên là:

=2

(1.6) 7.4 Sức mạnh trước kênh truyền fading chọn lọc tần số

Trên kênh truyền đa đường, tín hiệu phản xạ bị trễ, cộng vào tín hiệu gốc làm

tăng cường hoặc suy hao về biên độ và pha.Sự suy hao đôi khi làm mất luôn tín

hiệu.Những kênh truyền mà sự suy hao lớn xuất hiện trên một vài tần số gọi là

kênh truyền fading chọn lọc tần số (Hình 1.12) và những tần số bị ảnh hưởng sẽ

tùy thuộc vào môi trường

Đối với hệ thống một sóng mang, nếu tần số truyền chính là tần số bị ảnh hưởng thì toàn bộ tín hiệu sẽ bị mất.Trong trường hợp của OFDM, do dùng nhiều sóng mang con nên chỉ một vài sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 1.13) và chỉ một phần nhỏ tín hiệu bị mất, có khả năng khôi phục lại được

Hình 1.11: Tín hiệu và đáp ứng của kênh truyền

Hình 1.12: Đáp ứng của kênh truyền fading chọn lọc tần số

Hình 1.13: Khả năng chống chịu của OFDM trước fading chọn lọc tần số

Như vậy ngoài việc sử dụng phổ hiệu quả hơn do cho phép chồng lấp trên miền tần số, việc sử dụng số lượng lớn sóng mang con còn giúp OFDM chống lại tác động của kênh truyền fading chọn lọc tần số.Việc thêm khoảng bảo vệ giúp chống lại ảnh hưởng của ISI Sử dụng mã hóa kênh truyền và xáo trộn dữ liệu giúp khôi phục lại kí tự bị mất do tại các tần số chọn lọc của kênh truyền

Cân bằng kênh truyền trở nên đơn giản hơn so với hệ thống một sóng mang bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng thích nghi.Để giảm độ phức tạp tính toán có thể sử dụng các phương pháp giải mã mềm.Hiệu năng tính toán của OFDM cũng được cải thiện sử dụng kĩ thuật FFT tương ứng cho khối điều chế và giải điều chế.OFDM không qua nhạy cảm với sự sai số về đồng bộ so với hệ thống một sóng mang.Ngoài ra OFDM còn có khả năng chống lại nhiễu từ các hệ thống khác và các nguồn nhiễu xung kí sinh

do chúng ta thấy sự xuất hiện của OFDM trong các hệ thống phát thanh số như DAB hay DVB

1.2 Phát thanh số (Digital Audio Broadcasting-DAB)

Hệ thống phát thanh số DAB là hệ thống truyền thông số quốc tế và chuẩn hóa, phát triển bởi dự án châu Âu EUREKA-147 Trong tương lai gần, hệ thống sẽ hoàn toàn thay thế hệ thống radio tương tự FM hiện nay, hoạt động trên dải tần từ 88 đến 108 MHz Hệ thống DAB là hệ thống số và cho phép chất lượng âm thanh giống như chất lượng âm thanh của đĩa CD DAB có khả năng chống nhiễu tốt hơn nên phù hợp với việc thu di động như trong xe hơi.Những tính năng mới có thể được thêm vào máy thu như là các ứng dụng đa phương tiện (ví dụ truyền tải hình ảnh hay tin nhắn).Cách thức truyền dữ liệu của DAB là điều chế OFDM Hiện nay, DAB được ứng dụng rộng khắp châu Âu và một vài nước khác, bộ thu vẫn còn khá mắc giống như giá của đầu đọc CD đầu những năm 80 nhưng chúng ta có thể hi vọng trong vài năm tới DAB sẽ được sử dụng rộng rãi

1.3 ADSL

ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line) là kĩ thuật truyền dữ liệu tốc độ cao (lên đến 6 Mb/s với đường downlink và 640 Kb/s với đường uplink) trên đường dây điện thoại.Mỗi đường gồm hai sợi dây đồng xoắn vào nhau.Ý tưởng là

sử dụng toàn bộ khả năng của đường dây thay vì chỉ dùng có 4 KHz để truyền tải giọng nói.Tổng băng thông là 1,1 MHz Vấn đề chính là đặc tính của đường dây thay đổi theo người dùng.Sự thay đổi về khoảng cách, sự xuất hiện của các điểm nối trên đường dây, các đường dây kế cận là nguyên nhân Kết quả là sự phản xạ tạo ra sự suy hao, vận tốc thay đổi do tần số tạo nhiễu ISI.Vấn đề nay gần giống như kênh truyền không dây

Có hai phương pháp điều chế có thể dùng cho ADSL: CAP (Carrier less Amplitude Phase) gần giống với QAM và DMT (Dicrete Multi Tone) là một cách gọi khác của OFDM.Ngày nay DMT dường như trở thành giải pháp hàng đầu cho ADSL Đường downlink bao gồm 222 tone (sóng mang) và đường uplink được chia thành 24 tone.Từ 2 đến 15 bit được mã hóa trong một tone.Tốc độ truyền tải được tối ưu hóa phụ thuộc điều kiện của đường dây.Nếu truyền tải trên một tone bị đứt do phản xạ hay nhiễu trên băng tần thì truyền tải trên tone đó sẽ bị loại bỏ bởi modem

1.4 HyperLAN2

HyperLAN2 là kĩ thuật mới, được phát triển phù hợp với hoạt động trong môi trường LAN.Phương thức HyperLAN2 được phát triển bởi ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) và hoàn thành vào khoảng cuối năm

1999, đầu năm 2000.HyperLAN2 hoạt động trên băng tần 5GHz, nơi được dành cho cho mạng LAN không dây.Trái ngược với kĩ thuật Ethernet không dây theo chuẩn IEEE 802.11, HyperLAN2 dùng định hướng kết nối Các kết nối trong không gian được phân tập theo thời gian.Các kết nối có thể được quy định chất lượng dịch vụ khác nhau.Chất lượng dịch vụ cho phép truyền tải các kĩ thuật khác nhau như giọng nói, video hay dữ liệu Nó cũng cho phép các kết nối đặc biệt như unicast, multicast hay broadcast.HyperLAN2 cũng cho phép liên kết với hầu hết các kĩ thuật mạng khác.Vì vậy HyperLAN2 có thể mang, ví dụ như các khung Ethernet hay các gói IP…Viễn cảnh đầu tiên cho HyperLAN2 là được sử dụng ở giữa điểm cuối di động như laptop và điểm truy cập

OFDM là kĩ thuật điều chế được sử dụng trong tầng vật lý của HyperLAN2, với biến đổi Fourier nhanh 64 điểm.Để diều chế sóng mang, ta có thể lựa chọn giữa BPSK, QPSK, 16-64 QAM, chu kỳ kí tự là 3,6 μs với khoảng bảo vệ là 0,8 μs (hoặc 0,4 μs).Quá trình giải điều chế sử dụng tương ứng OFDM cho phép sử dụng băng tần rộng và tốc độ bit lên đến 54Mbit/s

Các thiết bị điện tử của truyền thông, camera hay máy tính có thể liên kết được với HyperLAN2 sử dụng một mô-đun (module) H2 nhỏ cho phép tự tạo kết nối.HyperLAN2 cho phép các thiết bị đa phương tiện có thể được điều khiển một cách thông minh từ bất kỳ thiết bị tính toán nào trong nhà mà không cần dây cáp mạng.HyperLAN2 cũng hỗ trợ khả năng bảo mật cao, bao gồm cả xác định danh tính và mã hóa.Nó cũng được xây dựng tiện lợi cho phép cấp pháp tần số tự động,

sự quy hoạch tần số được loại bỏ

1.5 Các ứng dụng khác

- Hệ thống truyền tải không dây ATM

- Các chuẩn IEEE 802.11a và IEEE 802.11g

2 Các vấn đề của OFDM

2.1 Vấn đề về đồng bộ

Một trong những vấn đề chính yếu tại máy thu là lấy mẫu tín hiệu đến một cách chính xác.Nếu lấy các mẫu sai đem đi xử lý thì biến đổi Fourier nhanh không thể khôi phục dữ liệu nhận trên các sóng mang một cách chính xác Sự lúng túng xảy

ra khi máy thu mới được bật lên.Nó cần một khoảng thời gian để chốt đúng Nếu tín hiệu truyền đi thật sự tuần hoàn theo thời gian, yêu cầu để FFT thực hiện chính xác, thì ảnh hưởng của sự dịch chuyển về thời gian sẽ làm thay đổi pha của các sóng mang con đi một lượng nhất định.Đó là định lý dịch thời gian trong lý thuyết tích chập

Dịch thời gian không chỉ làm dịch pha tín hiệu như đã nói ở trên mà nó còn tạo

ra nhiễu liên kí tự lên kí tự kế tiếp.Nhiễu này rất khó để loại bỏ Để tránh những vấn đề trên, ta định truyền nhiều hơn một chuỗi mẫu hoàn chỉnh để tăng khả năng đồng bộ Đó là khoảng bảo vệ dữ liệu thêm vào.Nó được tạo ra bằng cách lặp lại một khoảng, có chiều dài bằng khả năng nhớ của kênh truyền, những mẫu cuối cùng lấy từ chuỗi gốc.Một kĩ thuật được sử dụng để có được sự đồng bộ tốt là thêm vào giữa các kí tự OFDM các kí tự trắng (các mẫu không).Kĩ thuật này được sử