Sự Trực Giao Trong Miền Thời Gian Của Tín Hiệu Ofdm

CHƯƠNG II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM

2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến.

Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B. Toàn hệ thống được điều chế trên 1 sóng mang duy nhất f0. Tần số lấy mẫu của tín hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là:

TSC (s)  1/ B(Hz)

(2.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số. Tần số lấy mẫu rất lớn nên chu kỳ lấy mẫu (độ dài 1 mẫu tín hiệu) sẽ rất bé.

 Nhược điểm của phương pháp:

- Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên nhiễu gây liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

- Ảnh hưởng sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất

lớn.

- Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với trường

hợp điều chế đa sóng mang.

Hiện nay, điều chế đa sóng mang chủ yếu được dùng trong hệ thống thông tin băng hẹp, GSM …

Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (ghép kênh phân chia theo tần số), toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau.

Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng:

Bn B: bề rộng cả băng tần hệ thống (Hz). Bn: bề rộng mỗi kênh phụ (Hz).

N: số kênh phụ.

B / N

(2.2)

Độ dài 1 mẫu tín hiệu:

TMC 

1/ Bn 

N / B.

(2.3)

Độ dài 1 mẫu tín hiệu trong điều chế FDM dài gấp N lần độ dài mẫu trong điều chế đơn sóng mang. Chính vì thế, nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến 1 số ít mẫu tín hiệu.

 Khắc phục được 1 số hạn chế của phương pháp điều chế đơn sóng mang:

- Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể.

- Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể.

- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm.

 Những nhược điểm vẫn còn:

- Độ dài 1 mẫu tín hiệu tăng lên, do đó hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh.

- Giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang.

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang FDM.

OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi sóng mang phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại. Điều này cho phép đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ. OFDM được sử dụng nhiều trong thông tin vô tuyến.

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM

Hình 2.1 cho ta thấy rõ ưu điểm trong việc sử dụng tài nguyên vô tuyến đó chính là tần số. Các sóng mang con trong OFDM thì chồng lấn lên nhau nên dải tần mà kỹ thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với các kỹ thuật trước là đơn sóng mang và đa sóng mang không trực giao FDM.

Qua bản chất của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy những ưu điểm và khuyết điểm của kỹ thuật này:

Ưu điểm của OFDM

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng cách cho phép chồng lấn những sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục dữ liệu. Phù hợp thiết kế hệ thống băng rộng.

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

- OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng. Các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.

- Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ.

- IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản.

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.

Ngoài những ưu điểm thì kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế.

Nhược điểm:

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở cả phía phát và phía thu. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu trên năng lượng trung bình PARR cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.

- Sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm hiệu suất sử dụng phổ do mang thông tin không có ích.

- OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai số đồng bộ. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một

cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM.

2.2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL)

“ORTHOGONAL” (Sự trực giao) chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được tính toán đặt trước các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.

Tuy nhiên có thể sắp xếp, tạo ra các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Nếu mất tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ tạo ra sự chồng lặp hỗn độn và làm cho đầu thu khó khôi phục lại hoàn toàn dữ liệu thông tin ban đầu. Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và thực hiện tích phân trên một chu kỳ tín hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu.

2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM

Xét một tập các sóng mang con

fn (t)

(n = 0,1,2, … N-1)

Các sóng mang con trực giao với nhau khi thỏa mãn

n m

0,

k,

n m n m

f (t). f * (t)dt 

(2.4)

Trong đó, fn : sóng mang phụ thứ n

f * : liªn hiÖp phøc sãng mang phô thø m

k là hằng số không phụ thuộc vào T, n hoặc m.

Trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể viết là

fn (t)  exp( j2fnt)

fn f0 f f0 

Trong đó, f0: tần số offset ban đầu.

Ta có thể chứng minh tính trực giao của các sóng mang con OFDM. Xét biểu thức (2.4)

fn (t). fm (t)dt 

exp[j2(n m)t / T ]dt

 exp[j2(n m)t2 / T ]-exp[j2(n m)t1 / T ]

j2(n m)t / T

exp[j2(n m)t2 / T ]1-exp[j2(n m)(t1 t2 ) / T ]

j2(n m)t / T

= 0 với n ≠ m.

Khi n = m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.

(2.5)

Nếu các sóng mang con trực giao với nhau thì biểu thức (2.4) phải xảy ra nên biểu thức (2.5) luôn đúng.

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống các tần số bằng một số nguyên lần 1/T (T là chu kỳ tín hiệu), thì chúng sẽ có tích phân bằng 0 trên một chu kỳ tín hiệu. Như vậy các sóng mang sẽ là độc lập tuyến tính hay trực giao với nhau nếu các sóng mang có độ giãn cách là 1/T.

Trong thực tế khi thiết kế hệ thống, ta nhận thấy phép biến đổi Furier nhanh IFFT chính là 1 biện pháp để chia tín hiệu thành những sóng mang con có tính trực giao với các sóng mang con còn lại.

Công thức tính IFFT với chuỗi số chiều dài N:

N

1 N 1

xn Xk .e

n0

j 2k n

(2.6)

Do đó, IFFT sẽ được sử dụng trong OFDM bên hệ thống phía phát. Bên hệ thống phía thu sẽ phải thực thực hiện việc giải mã ngược lại bằng cách sử dụng biến đổi FFT.

2.2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sinc (sin(x)/x). Trong miền tần số, mỗi sóng mang phụ OFDM có đáp ứng tần số là hàm sinc. Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang. Mỗi symbol OFDM được truyền trong một khoảng thời gian cố định (TFFT). Thời gian symbol này tương ứng với khoảng cách tải phụ 1/TFFT (Hz). Dạng Sinc có một búp

chính hẹp, với nhiều búp bên có biên độ giảm dần theo tần số khi đi xa khỏi tần số trung tâm. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi sóng mang phụ tương ứng với Nulls của các sóng mang phụ khác.

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác (Hình 2.3). Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miền tần số do đó sẽ đạt được hiệu quả phổ cao.

Hình 2.2 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số

Hình 2.3 mô tả đáp ứng của mỗi sóng mang con có dạng hàm số Sinc. Tại vị trí đỉnh phụ của các sóng mang con khác sẽ trùng với đỉnh búp sóng chính của sóng mang xem xét. Điều đó thể hiện tính trực giao về mặt tần số của tín hiệu OFDM.

2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM

Phía phát (Transmitter): mã hóa luồng dữ liệu số phát theo mã Gray để giảm tỷ lệ bit lỗi khi truyền, sau đó chuyển thành pha và biên độ các sóng mang con biểu diễn dưới dạng các số ảo qua phép điêu chế BPSK, QPSK hoặc M-QAM. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số. Sử dụng phép biến đổi IFFT chuyển phổ các sóng

mang con vào miền thời gian, mỗi sóng mang con trực giao với nhau. Tín hiệu OFDM sau khi được đóng gói sẽ được xử lý tương tự nâng tần và truyền vô tuyến.

Máy thu (Receiver): Thực hiện đồng bộ và tiến hành ngược lại phía phát, giải mã trả về dữ liệu ban đầu.

Hình 2.3. Mô hình của hệ thống OFDM

Ta sẽ xem xét từng khâu trong mô hình hệ thống OFDM để tạo ra tín hiệu OFDM.

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra một số lượng lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự.

Đầu tiên, dữ liệu số cần truyền ở dạng nối tiếp sẽ được biến đổi thành song song với chiều dài dữ liệu cố định. Dữ liệu sau đó sẽ được ánh xạ vào biên độ và pha của các sóng mang phụ thông qua một trong các phép điều chế số (FSK, PSK, QPSK, M-QAM). Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào miền thời gian nhờ sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT nhưng hiệu quả hơn nhiều. Để truyền tín hiệu OFDM, tín hiệu miền thời gian kia sẽ được phối hợp siêu cao tần để đưa lên tần số RF cần thiết.

Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT).

2.4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các môi trường kết nối đa dạng từ: Đường dẫn thẳng LOS (Line of sight) đến đường dẫn bị che khuất OLOS (Obstructed Line of sight) và không có đường dẫn thẳng NLOS (Non Line of sight). Đây chính là ưu điểm của OFDM. Tuy nhiên, do làm việc với nhiều loại môi trường truyền dẫn khác nhau như vậy nên 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 thường đến sau so với tín hiệu gốc (truyền thẳng). Do không đến cùng nhau nên xảy ra hiện tượng nhiễu. Ngoài nhiễu do sự chênh lệch thời gian còn có nhiễu do sự sai lệch tần số giữa các sóng mang con làm mất tính trực giao giữa chúng.

2.4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục

2.4.1.1. Nhiễu ISI và những ảnh hưởng

ISI (Inter-Symbol interference), là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước đó.

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh fading trong miền thời gian, tính bất ổn định của kênh gây ra sự giao thoa tín hiệu.

Ảnh hưởng của ISI: gây ra sự nhận định sai kí hiệu, gây khó khăn trong việc khôi phục tín hiệu gốc tại phía thu.

Hình 2.4 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI