Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (848.63 KB, 103 trang )
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Trong OFDM, các sóng mang con đợc đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phơng thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM đợc hiểu là một nhóm các
bit đợc truyền một cách song song. Trong miền tần số, các symbol này tồn tại
dới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các
sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo.
2.1
Trực giao trong OFDM
Tín hiệu đợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực
giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin đợc truyền đi trên kênh
truyền thông thờng mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa
các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thông
tin. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao. Kỹ thuật
phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh
bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian. Trong suốt thời gian truyền
một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền. Bằng cách truyền
không đồng thời các bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng. Các bản
tin có thể đợc xem nh là đã trực giao với nhau, trực giao về mặt thời gian. Kỹ
thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách
cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa
dải thông của 2 tín hiệu.
OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các
sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số
nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Nh vậy, trong thời gian tồn tại
symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Nh vậy
mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng
lấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy
cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.
23
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hình 2- Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM
Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần,
với số chu kỳ tơng ứng là 1, 2, 3, và 4. Pha ban đầu các sóng mang con này
đều bằng 0. Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tơng ứng là FFT của các sóng mang
con trong miền thời gian. Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóng
mang con và kết quả FFT của nó.
Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao với
nhau nếu chúng thoả mãn :
C i= j
0 si(t)sj (t)dt = 0 i j
T
Công thức trên đợc hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2
sóng mang con khác nhau thì bằng 0. Điều này có nghĩa là ở máy thu các
sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có
dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng :
24
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
sin(2 kf 0t ) 0 < t < T k = 1,2,...N
s k (t ) =
t
0
Trong đó:
f0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con
N số sóng mang con trong một symbol ?
T thời gian tồn tại của symbol
Nf0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol
Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điều chế sẽ
giống nh hình sau. Lu ý rằng nếu các sóng mang con trên cha đợc điều chế thì
dạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm.
Hình 2-2 Phổ của họ sóng mang trực giao
Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâm
của sóng mang con khác thì bằng 0.
Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi đợc biểu diễn bởi một dạng
sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang. Sóng
mang này thờng có dạng hình sin. Sau khi đợc điều chế tin tức, trong sóng
mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số
trung tâm của sóng mang và các hài. Mức tơng đối của một tần số khi so sánh
với một tần số khác đợc cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện. Phổ này có đợc
25
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian. Về mặt lý
thuyết, để đạt đợc giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên
toàn bộ miền thời gian (- ữ ), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier
trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm. Không một hệ thống kỹ thuật
nào có thể làm đợc điều này. Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổi
Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục đợc dạng sóng mang mà
không làm mất đi bản chất của tin tức. Phép biến đổi Fourier tại một số hữu
hạn điểm đợc gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete Fourier
Transform). Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó đợc gọi là
phép biến đổi Fourier ngợc.
Nh đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang
con dạng hình sin trong miền thời gian. Trong miền tần số các sóng mang con
này có dạng sinc (sin cardinal), hay sin(x)/x. Dạng sinc có một búp chính và
các búp phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang con.
Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau
mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f0). Tính
trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con
bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0. ở phía thu, khi dùng
DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục mà là
các mẫu rời rạc. Các mẫu đó đợc biểu diễn bởi các khuyên tròn (o) trên hình
vẽ. Nếu DFT đợc đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tơng ứng với
đỉnh của các sóng mang con. Và nh vậy thì sự chồng phổ của các sóng mang
con không ảnh hởng đến máy thu. Giá trị đỉnh của một sóng mang con tơng
ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng
mang đợc bảo đảm.
26
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hình 2-3 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con
Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b)
là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con.
2.2
Thu phát tín hiệu OFDM
Hình 2-4 Sơ đồ khối thu phát OFDM
Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn đợc tạo ra trong miền số, do
rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tơng tự. Tại
27
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
khối phát, dữ liệu số sau khi đợc điều chế vào các sóng mang đợc đem đi thực
hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong thực
tế ngời ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bớc này. FFT là một
dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên
đợc dùng trong các hệ thống thực tế. Sau khi đã tạo đợc sự trực giao giữa các
sóng mang, các sóng mang này lại đợc chuyển về miền thời gian bằng IFFT
để truyền đi. Lúc này ta đã tạo đợc một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các
sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian. Lu ý, tín hiệu OFDM mới
chỉ ở băng tần cơ sở, cần đợc chuyển lên tới tần số đợc lựa chọn để truyền đi.
Khối thu thực hiện quá trình ngợc lại khối phát. Tín hiệu OFDM thu từ
anten đợc chuyển về băng tần cơ sở để xử lý. Tín hiệu này sau đó đợc qua FFT
để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con
đợc nhận diện và đợc chuyển thành dữ liệu số cần thu.
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)
Dữ liệu số thờng ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp. Trong hệ thống
OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 4000 bits, do đó bớc chuyển đổi nối
tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol. Số bit
thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóng
mang con. Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM, nh vậy mỗi sóng
mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bit
thông tin trên một symbol sẽ là 4ì100 = 400 (bits). Chú ý rằng nếu ta dùng
phơng thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên
từng sóng mang con có thể không giống nhau. Tại phía thu quá trình ngợc lại,
chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ đợc thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối
tiếp nh ban đầu.
Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do pha đinh chọn
lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng
tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của
kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị
28
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu nh cụm bit lỗi
này không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn
đề sẽ chẳng đáng ngại. Nhng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thờng khá lớn,
trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải
thiện khả năng sửa lỗi thờng rất tốn kém. Một ý tởng đơn giản và dễ thực hiện
để giải quyết vấn đề này đó là: nếu nh các cụm bit lỗi này gồm các bit không
lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi
này sẽ nằm rải rác, và nh vậy ta đã tránh đợc các cụm bit lỗi lớn. Do đó ở hầu
hết các hệ thống thực tế, ngời ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi
là cài xen (interleaving) nh là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp song
song. Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thông
tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng
đúng thứ tự ở phía thu.
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ
Các sóng mang phụ sau khi đợc cấp phát các bit thông tin để truyền
đi, chúng sẽ đợc điều chế pha và biên độ bằng các phơng thức điều chế thích
hợp. Lúc này sóng mang đợc biểu diễn bằng vector IQ. Quá trình điều chế
vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo
một sơ đồ điều chế (Constellation) cụ thể. Do đó quá trình này còn gọi là
Mapping.
Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu. Trong
quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận
đợc không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã. Do đó với mỗi phơng
thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định. Ví dụ với phơng
thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N =
18dB.
29
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian
Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định đợc cho mỗi sóng
mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin đợc truyền đi và phơng thức điều chế sóng mang đợc sử dụng, những sóng mang con không
truyền tin sẽ có biên độ bằng 0. Đây là bớc xây dựng tín hiệu OFDM trong
miền tần số. Để truyền đợc thì tín hiệu OFDM phải đợc chuyển về miền thời
gian bằng IFFT. Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện
IFFT tơng ứng với một sóng mang con. Các sóng mang con có biên độ bằng
không sẽ đợc sử dụng nh dải bảo vệ
Hình 2-5 Tạo tín hiệu OFDM, giai đoạn IFFT
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)
Tín hiệu OFDM đợc tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ ở tần số cơ sở,
tín hiệu này còn phải đợc nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền
dẫn. Bớc này có thể áp dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số. Cả
2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số có xu hớng
chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ
thuật điều chế số cho giá trị pha chính xác hơn.
30
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ
thuật tơng tự
Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ
thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)
2.3
Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)
Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM nhỏ
hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn sóng
mang. Nếu sử dụng phơng thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với
tốc độ bit. Nh ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông
cho trớc ở trên chia cho N sóng mang con. Do vậy tốc độ bit của một tín hiệu
31
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn
sóng mang. Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả
năng chịu ISI rất tốt.
Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống
OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗi symbol . Dải bảo vệ
của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu
hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó. Thờng thì ngời ta hay
dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó. Khi đó khoảng bảo
vệ GI đợc gọi là CP (Cyclic Prefix). Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian
truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Nh đã đề cập ở
trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phần
symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn đợc liên tục, không có sự
ngắt quãng giữa các symbol. Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi do sự
xê dịch thời gian ở máy thu.
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian
Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng symbol
để lấy ra đợc biên độ và pha của sóng mang con. Với các hệ thống OFDM có
tốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thớc FFT phải nh
nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì đợc tính trực giao giữa
các sóng mang con. Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu đợc có thời gian
lấy mẫu là TG + TFFT, trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín hiệu trong khoảng
thời gian TFFT. Do đó khoảng thời gian TG là thừa. Với một kênh truyền lý tởng
không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào về
mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng
ngăn cách nào giữa các symbol. Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh
truyền nào là lý tởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn. Dải
bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của
các sóng mang con trong tín hiệu thu đợc. Lợng quay pha này tỷ lệ với tần số
của sóng mang con. Giả sử lợng thời gian xê dịch là nh nhau với các symbol
32
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
khác nhau, khi đó lợng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng đợc loại bỏ bởi
bớc cân bằng kênh truyền. Trong môi trờng đa đờng, dải bảo vệ càng lớn thì
ISI càng đợc loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian càng đợc giảm thiểu.
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của một sóng mang con phải
đợc giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì đợc sự
trực giao giữa các sóng mang con. Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị
biến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con
không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất
hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa các
sóng mang con (ICI). Tại biên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi
đột ngột tới giá trị mới tơng ứng với symbol mới. Trong môi trờng đa đờng,
ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lợng giữa các symbol với nhau, do đó sẽ có sự
thay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm bắt đầu
của symbol. Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tại thời điểm bắt
đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và pha thực sự của nó. Biên độ
và pha này sẽ liên tục thay đổi dới sự tác động của các thành phần đa đờng.
Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn của
kênh truyền. Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện
FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi
nhận diện pha và biên độ sóng mang. Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa đờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có
thể đợc hiệu chỉnh bởi bớc cân bằng kênh truyền. Việc chèn thêm dải bảo vệ
đã giải quyết đợc phần lớn các ảnh hởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhng
dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không vợt quá phạm vi của
nó. Trong thực tế, các thành phần đa đờng suy giảm rất chậm theo thời gian,
trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thì
hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnh
hởng của ISI lên tín hiệu thu.
33