3 Giới thiệu về OFDM

Đồ án tốt nghiệp



Phần 1 Mở đầu



phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin

con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn

bản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì

hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng

mang con. Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu

inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol

là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của

symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trớc khi phát triển kỹ

thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao

mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp.

Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế

đa tần có lẽ là hệ thống Kinepiex. Hệ thống Kinepiex đợc phát triển bởi

Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống

lại nhiễu nhiều đờng multi-path. Trong hệ thống này, cứ 20 tones đợc điều chế

4-PSK vi sai vào một sóng mang. Phổ của các sóng mang này có dạng

sin(kf)/f và do đó có thể ghép chồng phổ. Giống nh OFDM hiện nay, các tones

đợc để cách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và

có khả năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang này đợc gọi tên

là Multi-tone.

Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng

mang và phát hiện tơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang

bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u. Hệ thống này

còn sử dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.



17



Đồ án tốt nghiệp



Phần 1 Mở đầu

cosw

filter



`

data



filter



mod



`



mod



sinw

cosw



S/P



t



1



filter



t



2



Add



OFDM signal



mod



filter



t



1



mod



sinw



2



t



Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu

Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến

đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia

tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngợc IFFT

(Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía

thu, bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier

Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đợc. Phơng pháp điều chế OFDM

này đợc đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete MultiTone). Phổ của tín hiệu DMT trên đờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu

điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu

nh đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng mang đợc điều chế QAM với một số

phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f nh của hệ thống OFDM

ban đầu.



18



Đồ án tốt nghiệp



Data in



Phần 1 Mở đầu



Block into N complex numbers

Rate 1/T



IFFT



Channel



Filter



Rate N/T



Sample



Synch



Filter



Channel



Block



FFT



Equalize



Unblock



Data out



Hình 1-13 Hệ thống OFDM sử dụng FFT



Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM

Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần

thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực

hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi

IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện

cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N số phức.

Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến

đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog 2N

phép nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng. Hiệu quả

của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này

không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu

cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng

mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng.



19



Đồ án tốt nghiệp



Phần 1 Mở đầu



Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợc nghiên

cứu đa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã đợc chế tạo.

Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản phẩm chúng cha

đợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber

Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu

điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng.

Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi

mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình. Đó là tính chống lại

ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha đinh lựa

chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các

phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ

liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao.

Information

source



Outer

coding



Symbol level

Freq

Interleaver



Inner

coding



Bit level

Interleaver



Modula

tion



Cyclic ext

Pulse shaping

Zero padding



IFFT



Frequency/Time Selective fading

Channel, AWGN



Channel

Estimation



FFT



DeMod

ulation



Bit level

DeInterleaver



Soft decision

Inner Decoding



Symbol level

Freq

DeInterleaver



Outer

Decoding



Information

load



AGC/Coarse

Synchronization



Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến

Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency

Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều

trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng

20



Đồ án tốt nghiệp



Phần 1 Mở đầu



một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ nhiều

trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây ảnh hởng

tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.

Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng

LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ

nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với

chu kỳ symbol. Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

đợc sử dụng.

Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều

ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.



21



Đồ án tốt nghiệp



Chơng 2



Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Nguyên lý cơ bản của OFDM



OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật

đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi

trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền

dẫn đơn sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác

nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số. Tất cả các trạm phát đồng thời

nhng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần

số khác nhau. Dải thông các tín hiệu này đợc đặt cách nhau một khoảng tần số

sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt đợc tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín

hiệu của các sóng mang khác. Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có

một khoảng tần số không đợc sử dụng để truyền tin tức. Sau khi qua bộ lọc,

tín hiệu thu đợc sẽ đợc giải điều chế để nhận đợc tin tức cần thu. Nh vậy có

thể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số.

Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin đợc truyền đi trên

một số Nn sóng mang con (Nn có thể điều chỉnh đợc tuỳ theo độ lớn của bản

tin), thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang

con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt

duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các

sóng mang sử dụng trong FDM. Nn sóng mang con này tạo thành một nhóm,

ta tạm gọi là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều

các nhóm nh vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến. Các

sóng mang con trong một nhóm đợc đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm

cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng đợc thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng

mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra

ICI do tính trực giao giữa chúng đợc bảo đảm. Việc chồng phổ này làm tăng

đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần.

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau

nên các sóng mang có thể đợc điều chế theo cả 2 phơng thức: tơng tự và số.

22



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