Chương 2: Cơ sở lý thuyết và hạ tầng thiết bị
2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.5 Công nghệ OFDM trong truyền dẫn vô tuyến băng rộng
2.1.5.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ADSL, các kỹ thuật này thường đượcc nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 38 cách hợp lý.
OFDM tạo ra lưới theo thời gian và tần số. Mỗi hình chữ nhật là một kênh độc lập và có thể cấp cho những người sử dụng khác nhau.
Hình 14: Phân chia tín hiệu OFDM theo thời gian và tần số
OFDM, đa đường dẫn và hiệu quả quang phổ
Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa dạng từ có tầm nhìn thẳng LOS (Line-of-sight) đến đường dẫn thẳng bị che chắn OLOS(Obstructed Line-Of-Sight) và không có đường dẫn thẳng (NLOS). Đây chính là ưu điểm của công nghệ OFDM.
Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường dẫn là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu.
Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc (dẫn thẳng).
Do không đến cùng một thời điểm (out of phase) các tín hiệu phản xạ gây ra hiện tượng nhiễu.
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 39 Hình 15: Đa đường dẫn trong các điều kiện kết nối NLOS
Tác động của hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến là ảnh hưởng giữa các symbol -ISI (Inter Symbol Interference). Các tiếng vọng từ một symbol nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến symbol tiếp theo (gọi là symbol N+1). Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng Khoảng bảo vệ (Guard Interval –GI period) tại đoạn bắt đầu của symbol. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần symbol bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin.
Hình 16: Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ
Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả quang phổ. Điều này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang phụ (sub-carrier) qua không trung, mỗi sub-carrier có khả năng mang số liệu điều biến.
Các sub-carrier được đặt vào các tần số trực giao.
Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sub-carrier nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sub-carrier khác (Hình 4). Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sub-carrier khác nhau
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 40 khi sắp xếp vị trí các sub-carrier với mật độ lớn trong miền tần số do đó sẽ đạt được hiệu quả quang phổ cao.
Hình 17: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số
Các ưu điểm của kỹ thuật OFDM - Công nghệ này thích hợp cho hệ thống tốc độ cao.
- Thích hợp với các ứng dụng không dây cố định.
- Rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn.
- Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
- Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các tín hiệu.
- Giải quyết vấn đề fading bằng quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM nhờ sử dụng phép biến đổi FFT (Fast Fourier Transform – Phép biến đổi Fourier nhanh).
- OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn.
-Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
-Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự
SVTH: Ngô Chí Hùng Trang 41 phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
-Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số.
Các nhược điểm của kỹ thuật OFDM
-Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
-Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.
-Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doopler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.