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 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