Kỹ thuật và ứng dụng công nghệ ofdm

TỔNG QUAN VỀ OFDM

Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày khái niệm và lịch sử ra đời của OFDM, cùng với các nguyên lý và thuật toán liên quan Nó sẽ mô tả toán học của OFDM, kỹ thuật đơn sóng mang và đa sóng mang, cũng như các phương pháp điều chế trong OFDM Bên cạnh đó, chương cũng sẽ nêu rõ ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM.

Khái niệm và sự ra đời OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số, trong đó toàn bộ băng tần được chia thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh sử dụng một sóng mang riêng Các sóng mang này có tính chất trực giao với nhau, nghĩa là chúng không gây nhiễu cho nhau tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang, nhờ đó tạo ra một hệ thống truyền dẫn hiệu quả và ổn định.

Kỹ thuật OFDM, được R.W Chang phát minh vào năm 1966 tại Mỹ, đã trải qua nhiều nghiên cứu quan trọng trên toàn cầu trong những thập kỷ qua Các công trình của Weinstein và Ebert đã chỉ ra rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện qua biến đổi IDFT, trong khi giải điều chế sử dụng biến đổi DFT Vào đầu những năm 80, nhóm kỹ sư tại phòng thí nghiệm CCETT đã phát triển phương pháp điều chế số hiệu quả cho phát thanh truyền hình số dựa trên lý thuyết của Weinstein và Ebert Sự phát triển của kỹ thuật số đã thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật OFDM, trong đó thay vì IDFT và DFT, người ta đã sử dụng biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM và FFT cho giải điều chế.

Các nguyên lý cơ bản OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên nhiều sóng mang con trực giao Việc tăng khoảng thời gian symbol cho các sóng mang con tốc độ thấp giúp giảm thiểu nhiễu do độ trải trễ đa đường Ngoài ra, nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế gần như hoàn toàn nhờ vào khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào mỗi symbol OFDM, giúp bảo vệ các symbol theo chu kỳ và tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác biệt rõ rệt Kỹ thuật chồng phổ cho phép tiết kiệm khoảng 50% băng thông, nhưng yêu cầu các sóng mang phải trực giao với nhau để triệt tiêu nhiễu.

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang được chồng lên dữ liệu của các sóng mang lân cận, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ Dưới một số điều kiện cụ thể, dung lượng hệ thống OFDM có thể được cải thiện đáng kể bằng cách điều chỉnh tốc độ dữ liệu trên từng sóng mang dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của sóng mang đó.

OFDM, hay Bổ sung Đa Sóng Mang, là một phương pháp phát sóng đặc biệt, chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên nhiều sóng mang phân bổ trực giao Bằng cách chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song, thời gian symbol được tăng lên, giúp giảm thiểu sự phân tán theo thời gian do hiện tượng trải rộng trễ trong truyền dẫn đa đường (multipath).

OFDM khác với FDM ở chỗ OFDM kết hợp tín hiệu từ nhiều trạm vào một dòng dữ liệu ghép kênh đơn, trong khi FDM giữ mỗi đài phát trên một tần số riêng biệt Trong OFDM, các sóng mang thứ cấp được đồng bộ cả về thời gian lẫn tần số, giúp kiểm soát can nhiễu giữa chúng, điều này không xảy ra trong phương pháp FDM truyền thống.

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung

(a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) giúp cải thiện hiệu quả phổ bằng cách giảm khoảng bảo vệ tần số giữa các kênh so với FDM (Frequency Division Multiplexing), nơi cần có khoảng bảo vệ lớn để ngăn ngừa can nhiễu Nhờ vào sự đóng gói trực giao của các sóng mang, OFDM tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, mang lại hiệu suất truyền dẫn tốt hơn.

Hệ thống OFDM bắt đầu bằng việc chia dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu này được mã hóa bằng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và sắp xếp theo trình tự hỗn hợp Các symbol hỗn hợp sau đó được đưa vào khối IDFT để tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI trong các kênh di động vô tuyến đa đường, khoảng bảo vệ được chèn vào trước khi tín hiệu được định dạng và chuyển lên tần số cao để truyền Tại phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc được thu nhận qua bộ lọc Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT sử dụng thuật toán FFT Cuối cùng, dựa vào sơ đồ điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh, sau đó các symbol hỗn hợp được sắp xếp ngược và giải mã để thu nhận dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Chèn pilot Ước lượng kênh

Loại bỏ dải bảo vệ

Hình 1.4: Hệ thống OFDM cơ bản

Hình 1.5: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Có nhiều sơ đồ điều chế được phát triển, tùy thuộc vào dạng sóng của tín hiệu thông tin, bao gồm điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB) và Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Đối với thông tin số, các sơ đồ điều chế sóng mang đơn bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK) và điều chế QAM.

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao sử dụng nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần với tốc độ thấp R/k (bit/s) Mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ bằng các chuỗi ngẫu nhiên, giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin.

PN có tốc độ R c (bit/s) và được điều chế bằng sóng mang OFDM, truyền tải qua nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này tối ưu hóa băng thông kênh truyền, nâng cao hệ số trải phổ và giảm thiểu tạp âm giao thoa ký tự ISI, mặc dù có thể làm tăng khả năng giao thoa sóng mang.

Trong công nghệ FDM truyền thống, sóng mang được lọc riêng để tránh chồng phổ và hiện tượng giao thoa ký tự ISI, tuy nhiên, điều này dẫn đến việc sử dụng phổ chưa hiệu quả Kỹ thuật OFDM khắc phục vấn đề này bằng cách chọn khoảng cách sóng mang sao cho chúng trực giao trong chu kỳ ký tự, cho phép khôi phục tín hiệu mà không xảy ra giao thoa hay chồng phổ.

Hình 1.7: Phổ của sóng mang con OFDM [2]

Đơn sóng mang (Single carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang

Hình 1.8: Truyền dẫn sóng mang đơn.[3]

Hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, như mô tả trong Hình 1.8, bao gồm các xung phát đi được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền qua kênh đa đường, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền ở phía thu được sử dụng để tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại thiết bị thu nhận dữ liệu Tuy nhiên, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu trong hệ thống đơn sóng mang rất phức tạp, điều này lý giải vì sao các hệ thống đa sóng mang lại ưu thế vượt trội so với hệ thống đơn sóng mang.

Đa sóng mang (Multi carier)

Khi truyền tín hiệu bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang sẽ tải một phần dữ liệu hữu ích và phân bổ đều trên băng thông Điều này giúp hạn chế mất mát dữ liệu, vì nếu một sóng mang bị ảnh hưởng xấu, chỉ một phần dữ liệu bị mất Các sóng mang khác vẫn có thể cung cấp thông tin cần thiết để khôi phục lại dữ liệu hữu ích.

Hình 1 9: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[3]

Khi sử dụng nhiều sóng mang với tốc độ bit thấp, dữ liệu gốc được thu thập chính xác hơn Để khôi phục dữ liệu bị mất, phương pháp sửa lỗi tiến FFC được áp dụng Tại máy thu, mỗi sóng mang được tách biệt thông qua bộ lọc thông thường và quá trình giải điều chế, nhằm tránh can nhiễu giữa các sóng mang.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép truyền dữ liệu song song qua nhiều sóng mang phụ mang các bit thông tin, tối ưu hóa băng thông và giảm nhiễu giữa các ký tự Để thực hiện điều này, mỗi sóng mang cần một máy phát sóng sin, cùng với bộ điều chế và giải điều chế riêng Tuy nhiên, khi số lượng sóng mang phụ tăng lên, việc này trở nên không khả thi Để khắc phục, khối biến đổi IDFT/DFT được sử dụng để thay thế cho các bộ dao động, điều chế và giải điều chế Hơn nữa, thuật toán IFFT/FFT giúp tối ưu hóa quá trình biến đổi IDFT/DFT bằng cách giảm số phép nhân phức tạp và tiết kiệm bộ nhớ thông qua tính toán tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM có thể được biểu diễn theo công thức cụ thể.

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l

L : chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

Giải pháp khắc phục hiệu quả tình trạng phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách giữa các sóng mang và cho phép chúng trùng lặp nhau, miễn là khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Phương pháp này dựa trên việc ghép kênh theo tần số trực giao, với sự phát triển bắt đầu từ giữa những năm 1980, mặc dù lúc đó còn hạn chế về công nghệ Tuy nhiên, nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ mạch tích hợp, phương pháp này đã trở thành khả thi và được ứng dụng trong thực tiễn hiện nay.

Sự trực giao

Trong hệ thống OFDM, tính trực giao giữa các tần số của sóng mang đảm bảo rằng các sóng mang có thể được định vị chính xác mà không gây ra can nhiễu Khác với hệ thống FDM truyền thống, nơi cần có khoảng bảo vệ giữa các sóng mang để tín hiệu được thu nhận chính xác, OFDM cho phép các dải biên của sóng mang chồng lên nhau mà vẫn duy trì tính độc lập Để đạt được điều này, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học, cho phép máy thu sử dụng các bộ giải điều chế và dịch tần để phục hồi dữ liệu gốc Nếu khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/τ, chúng sẽ độc lập tuyến tính, trong khi bất kỳ sự phi tuyến nào từ can nhiễu giữa các sóng mang sẽ làm mất đi tính trực giao.

Phần đầu của tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI) Để khắc phục điều này, phần đầu có thể được lặp lại và được gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).

Do tính trực giao, sóng mang con trong hệ thống OFDM không bị nhiễu bởi các sóng mang con khác Hệ thống này sử dụng kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT, giúp đạt hiệu quả cao không phải qua lọc dải thông mà thông qua việc xử lý băng tần gốc.

1.6.1 Trực giao miền tần số

Một phương pháp khác để hiểu tính trực giao của tín hiệu OFDM là phân tích phổ của nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp trong hệ thống OFDM thể hiện đáp tuyến tần số dạng sinc.

Kết quả của (sin (x)/x) thể hiện mối liên hệ giữa thời gian symbol và nghịch đảo của sóng mang trong hệ thống OFDM Mỗi symbol được truyền trong khoảng thời gian cố định T FFT, tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/T FFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật trong miền thời gian tạo ra đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm, với các giá trị không được đặt cân bằng theo khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Sự trực giao trong việc truyền tín hiệu là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ, và tín hiệu này được phát hiện thông qua biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

1.6.2 Mô tả toán học OFDM

Mô tả toán học OFDM trình bày quy trình tạo ra tín hiệu và cách thức hoạt động của máy thu, đồng thời phân tích các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:

Trong tín hiệu, mối quan hệ giữa tần số và tần số gốc được biểu diễn bằng công thức  =  0 + n. Khi tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T, với T là chu kỳ lấy mẫu, tín hiệu hợp thành sẽ được thể hiện thông qua công thức này.

Tại điểm này, khoảng thời gian tín hiệu được chia thành N mẫu, nhằm thuận tiện cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một ký hiệu dữ liệu Mối quan hệ này được thể hiện rõ ràng trong quá trình phân tích tín hiệu.

So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:

Điều kiện yêu cầu tính trực giao trong hệ thống OFDM là yếu tố quan trọng, vì kết quả của việc bảo toàn tính trực giao cho phép xác định tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi Fourier.

Các thành phần của mạng trực giao có tính độc lập tuyến tính Tập hợp các sóng mang phát đi có thể được coi là một mạng trực giao, được xác định bởi một công thức cụ thể.

Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong biểu thức (1.1):

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/, đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn 

Tín hiệu được gọi là trực giao khi chúng độc lập với nhau, cho phép truyền tải tín hiệu hoàn hảo qua một kênh chung mà không bị can nhiễu Trong OFDM, các tải phụ được bố trí gần nhau theo lý thuyết nhưng vẫn duy trì tính trực giao OFDM đạt được sự trực giao bằng cách sắp xếp các tín hiệu thông tin riêng biệt cho từng tải phụ Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các sóng hình sin, mỗi sóng tương ứng với một dải phụ, với dải tần số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol, dẫn đến việc các tải phụ có số nguyên chu kỳ trong một symbol và duy trì tính trực giao.

Hình 1.11: Thêm CP vào symbol OFDM

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T cp Lúc này tín hiệu được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:

N k k k t x t s (1.7) Ở đây Ф k (t)tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao t kf j k k ( t ) A e 2  1

Một sự lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha:

Và tín hiệu cuối cùng:

Như vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách sóng mang tương đương với tốc độ bit của bản tin

Việc xử lý tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số thông qua các thuật toán DSP (Digital Signal Processing) Tính trực giao là nguyên tắc quan trọng trong DSP, trong đó hai vector được xem là trực giao khi chúng vuông góc với nhau, tức là tạo thành góc 90 độ và tích của chúng bằng 0 Điều này có nghĩa là khi nhân hai tần số với nhau và tổng hợp các tích, kết quả sẽ bằng 0.

Hình 1.12: T ích của hai vector trực giao bằng 0

Hàm số thông thường có giá trị bằng 0

Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:

Hình 1.13: Giá trị của sóng sine bằng 0

Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau, kết quả cũng sẽ bằng 0

Tính trực giao của sóng sine được thể hiện qua tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau, cho thấy rằng nếu hai dạng sóng sin không cùng tần số, tích phân của chúng sẽ bằng 0 Đây là nguyên tắc cơ bản để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Hình 1.15: Tích hai sóng sine cùng tần số

Khi hai sóng sin có cùng tần số, dạng sóng hợp thành luôn dương và giá trị trung bình của nó không bằng không, điều này rất quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, cụ thể là biến đổi nhanh Fourier (FFT), để chuyển đổi tín hiệu thu được từ miền tần số.

Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao Từ phân tích trên, ta có thể rút ra kết luận:

Để cải thiện độ phẳng của đáp tuyến kênh, cần sử dụng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chiếm một phần nhỏ trong băng thông Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.

Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con

Để chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số subcarrier) cần phải lớn, yêu cầu nhiều modem sub-channel May mắn thay, có thể chứng minh rằng việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu sử dụng cặp biến đổi IFFT và FFT cho các bộ điều chế và giải điều chế Tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp các sóng mang con được điều chế bằng khóa dịch pha PSK hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM Nếu d_i là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N_S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời gian symbol và f_C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t_s có thể được viết theo công thức cụ thể.

T t s ( )  0 , t  t s và t  t s  Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [4]: t t t t T

Trong tín hiệu OFDM, phần thực và phần ảo đại diện cho thành phần cùng pha và vuông pha Những thành phần này sẽ được nhân với hàm cosin và sin tương ứng của từng tần số sóng mang con, nhằm tổng hợp tín hiệu OFDM cuối cùng.

Hình 1.16 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [4]

Hình 1.16 Bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) được truyền đến thiết bị thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của sóng mang con Nếu nhân với liên hiệp phức của sóng mang con thứ l, ta thu được symbol QAM d j+Ns/2 (được nhân với hệ số T) Đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không do sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian symbol T, dẫn đến kết quả nhân bằng không.

Tín hiệu OFDM s(t) thực chất tương đương với biến đổi Fourier ngược của N ký hiệu QAM đầu vào Thời gian rời rạc cũng được mô tả như là biến đổi ngược Fourier rời rạc, trong đó thời gian t được thay thế bằng số mẫu n.

Biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) có thể được thực hiện nhanh hơn thông qua biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT), tương tự như biến đổi Fourier rời rạc (DFT) được thay thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm yêu cầu N² phép nhân phức, chủ yếu là phép quay pha, cùng với một số phép cộng Tuy nhiên, biến đổi IFFT N điểm chỉ cần (N/2)log₂(N) phép nhân phức với thuật toán cơ số 2, và (3/8)log₂(N−2) phép nhân với thuật toán cơ số 4 Hiệu suất cao của IFFT và FFT đến từ khả năng phân tích IDFT thành các biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi đạt được các biến đổi IDFT một điểm.

Sau khi dữ liệu nối tiếp được chuyển thành dạng song song, chúng sẽ được đưa vào bộ biến đổi IFFT để chuyển đổi thành tín hiệu trong miền thời gian Tín hiệu này sẽ được nâng lên tần số cao và truyền đi Tại đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian được thu nhận, sau đó sẽ được biến đổi tần số và đưa vào bộ biến đổi FFT để chuyển đổi thành tín hiệu trong miền tần số, cuối cùng gửi luồng dữ liệu đến các bộ giải điều chế.

ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI (inter-symbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu, xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó tín hiệu đến sau ảnh hưởng đến tín hiệu trước đó.

Hình 1.17 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Trong hình 1.17, tín hiệu phản xạ đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu khác, dẫn đến khoảng thời gian trễ (τ = ∆s/c) Mặc dù khoảng chênh lệch này nhỏ, nhưng nó lại không đáng kể so với thời gian của một mẫu tín hiệu Trong các hệ thống đơn sóng mang, hiện tượng ISI là một thách thức lớn do độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian ký hiệu Khi tăng tốc độ truyền dữ liệu bằng cách giảm khoảng ký hiệu, mức trải trễ tương đối sẽ tăng, khiến hệ thống trở nên nhạy cảm hơn với trải trễ Việc thêm khoảng bảo vệ cũng không thể triệt tiêu hoàn toàn ISI.

Phương án giải quyết được chọn là thiết lập các đường truyền thẳng bằng cách lắp đặt anten thu phát ở vị trí cao để tối ưu hóa kết nối Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa phải là giải pháp hiệu quả nhất.

Hệ thống OFDM đã giải quyết vấn đề nhiễu ISI, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của độ trải trễ đa đường Trong khi tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang, điều này giúp OFDM chống lại nhiễu ISI do truyền đa đường Truyền đa đường xảy ra khi tín hiệu bị phản xạ bởi các vật cản trong môi trường, dẫn đến việc các tín hiệu đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau, gây rò rỉ năng lượng giữa các symbol Để cải thiện ảnh hưởng của ISI, một khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào đầu mỗi symbol, giúp ngăn chặn các thành phần đa đường gây nhiễu cho symbol kế cận Khoảng thời gian bảo vệ này được chọn lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, và việc sao chép phần cuối của symbol vào đầu sẽ làm tăng chiều dài tổng cộng của symbol.

T FFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 1.18 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con cần phải ổn định trong suốt thời gian symbol để đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang con Nếu không ổn định, hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không còn là hình sinc chính xác, dẫn đến việc các điểm có giá trị phổ cực tiểu không xuất hiện tại các tần số mà các sóng mang con khác có phổ cực đại, gây ra hiện tượng nhiễu xuyên sóng mang (ICI).

Tính chất trực giao của sóng mang được thể hiện rõ ràng trong cả miền thời gian và miền tần số Trong miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp theo khoảng FFT Ngược lại, trong miền tần số, mỗi sóng mang có giá trị cực đại tại tần số trung tâm của nó và giá trị bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác Hình 1.19 minh họa phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao.

Hình 1.19 Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao giữa các sóng mang sẽ bị mất nếu giá trị của một sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Theo giản đồ miền thời gian, sóng hình sin không được kéo dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 1.20 minh họa phổ của bốn sóng mang không trực giao.

ICI xảy ra khi các kênh đa đường khác nhau tác động lên thời gian ký tự OFDM Hiện tượng dịch Doppler trên từng thành phần đa đường dẫn đến bù tần số giữa các sóng mang, làm mất đi tính trực giao của chúng Ngoài ra, ICI cũng xuất hiện khi một ký tự OFDM trải qua hiện tượng ISI.

Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM

Hình 1.20 Phổ của bốn sóng mang không trực giao

Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào được biểu diễn dưới dạng bit nhị phân, do đó quá trình điều chế là các phương pháp điều chế số có thể được lựa chọn dựa trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế được xác định bởi số bit đầu vào M và số phức đầu ra d n = a n + b n Các ký tự a n, b n có thể được chọn từ {±1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Trong hệ thống điều chế BPSK, các tín hiệu s1(t) và s2(t) được sử dụng để biểu diễn các ký hiệu cơ số hai "0" và "1".

Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit

Năng lượng của một bit được biểu diễn qua góc pha θ(t), trong đó góc pha ban đầu θ có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích, vì vậy có thể đặt bằng 0 Đối với các ký hiệu, i = 1 tương ứng với ký hiệu 0 và i = 2 tương ứng với ký hiệu 1.

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180 0 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là: b c b

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình sau:

Hình 1.21 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu BPSK được truyền qua kênh nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit trong quá trình giải điều chế có thể được xác định bằng công thức cụ thể.

N 0 : Mật độ nhiễu trắng cộng

1.9.2 Điều chế QPSK Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:[5] t t T

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

T= 2.T b (T b : Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

(1.17) Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ

Hình 1 22 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E, còn logic '0' thì biến đổi vào

E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.[5]

Trong hệ thống PSK, việc kết hợp các thành phần đồng pha và vuông pha tạo ra một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu tách biệt các thành phần này, cho phép chúng hoạt động độc lập, sẽ tạo ra những thay đổi đáng kể trong tín hiệu.

QAM (Điều chế biên độ pha) là một phương pháp điều chế trong đó sóng mang được điều chế cả về biên độ và pha Ưu điểm của điều chế QAM là khả năng tăng dung lượng truyền dẫn số.

Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:

E 0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất a i , b i : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang được cấu thành từ hai thành phần vuông góc, được điều chế bởi một tập hợp các bản tin tín hiệu rời rạc, do đó được gọi là "điều chế tín hiệu vuông góc".

Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:[5]

Hình 1.23: Chùm tín hiệu M-QAM

Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) trong sơ đồ điều chế thể hiện vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu, với mỗi liên hợp từ được phân phối một vector IQ duy nhất Mã Gray là phương pháp phân phối này, đảm bảo rằng các điểm kề nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit, giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit tổng thể bằng cách hạn chế khả năng xảy ra nhiều lỗi bit từ một lỗi symbol đơn Mã Gray có thể được áp dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK như QPPSK, 16-PSK và QAM như 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM.

Hình 1.25: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp

Các đặc tính của OFDM

Phương pháp OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật truyền dẫn trên kênh vật lý, cho phép truyền tải một lượng lớn dữ liệu đồng thời nhờ vào việc sử dụng đa sóng mang Kỹ thuật này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm hiệu quả sử dụng phổ cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt, đặc biệt trong hệ thống không dây, và dễ dàng lọc nhiễu Khi một tần số bị nhiễu, các tần số lân cận có thể được bỏ qua để đảm bảo chất lượng truyền dẫn Hơn nữa, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi số lượng sóng mang Một lợi thế quan trọng của hệ thống đa sóng mang là khả năng hoạt động ở tốc độ bit thấp, giúp kéo dài chu kỳ của ký tự Điều này làm cho việc đồng bộ và xử lý giao thoa đa đường trở nên dễ dàng hơn, vì khi thông tin được phân bổ cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, giảm thiểu khó khăn trong việc quản lý thời gian.

The OFDM system can completely eliminate intersymbol interference (ISI) if the guard interval length is greater than the maximum transmission delay of the channel.

Hệ thống truyền dẫn băng rộng là lựa chọn tối ưu cho thiết kế nhờ vào tốc độ truyền dẫn cao Sự phân tập về tần số giúp cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống, giảm thiểu ảnh hưởng so với các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con

Hệ thống OFDM có khả năng chống chịu fading tốt hơn so với các hệ thống sóng mang đơn nhờ vào việc chia kênh thông tin thành nhiều kênh con phẳng và hẹp.

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

Hệ thống OFDM có khả năng khôi phục các symbol bị mất nhờ việc chèn kênh và mã kênh phù hợp, giúp giảm thiểu tác động của hiện tượng lựa chọn tần số trong các kênh truyền.

- 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

- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

OFDM có thể gặp phải vấn đề nhiễu biên độ do khoảng động lớn, đặc biệt khi các hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất Tỷ số PARR cao trở thành một bất lợi nghiêm trọng khi sử dụng bộ khuếch đại công suất trong miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tỷ số PARR của tín hiệu OFDM vượt quá mức cho phép, sẽ dẫn đến nhiễu xuyên điều chế, làm tăng độ phức tạp của các bộ chuyển đổi từ analog sang digital và ngược lại Hơn nữa, việc rút ngắn tín hiệu có thể gây ra méo nhiễu trong băng và bức xạ ngoài băng.

Hệ thống OFDM nhạy cảm hơn với tần số offset và sự trượt của sóng mang so với các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong OFDM phức tạp hơn, vì tần số offset của sóng mang gây ra nhiễu cho các sóng mang con trực giao, dẫn đến nhiễu liên kênh và làm giảm hiệu suất của bộ giải điều chế Do đó, việc đạt được đồng bộ tần số là một nhiệm vụ thiết yếu trong bộ thu OFDM.

Một trong những thách thức của OFDM là công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình, dẫn đến khó khăn trong việc duy trì độ tuyến tính khi tín hiệu được điều chế RF Sự biến đổi này ảnh hưởng đến biên độ sóng mang, và khi tín hiệu truyền qua môi trường tuyến tính, dễ xảy ra méo dạng ở bộ khuyếch đại công suất của bộ phát Điều này có thể gây ra các vấn đề như trải phổ và nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF gần nhau.

Việc áp dụng chuỗi bảo vệ giúp ngăn chặn nhiễu ISI, tuy nhiên, điều này có thể làm giảm hiệu suất đường truyền vì chuỗi bảo vệ không chứa thông tin hữu ích.

Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ, do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ.

Sự sai lệch thời gian đồng bộ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống OFDM, mặc dù công nghệ này có khả năng chịu đựng tốt các sai số nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol Trong một kênh truyền không có độ trễ do hiệu ứng đa đường, time offset có thể tương đương với khoảng bảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con Tuy nhiên, nếu lỗi time offset vượt quá khoảng bảo vệ, hoạt động của hệ thống sẽ suy giảm nhanh chóng do các symbol sẽ chứa một phần nội dung của các symbol khác trước khi đến bộ FFT, dẫn đến hiện tượng ISI (Inter-Symbol Interference).

Sự sai lệch đồng bộ tần số có ảnh hưởng lớn đến OFDM, làm tăng nguy cơ sai lệch tốc độ bit trong quá trình giải điều chế tín hiệu Hệ quả là tính trực giao giữa các subcarrier bị mất, dẫn đến hiện tượng can thiệp giữa các sóng mang (ICI) và sự xoay pha không thể khắc phục tại bộ thu.

Sai số tần số chủ yếu xuất phát từ hai nguồn: lỗi bộ dao động và hiệu ứng Doppler Sự bất đồng bộ giữa bộ phát và bộ thu có thể gây ra offset tần số, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Mặc dù có thể bù đắp offset này bằng bộ bám tần số, nhưng điều này chỉ khắc phục tạm thời và không thể loại bỏ hoàn toàn tác động tiêu cực.

Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát tạo ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu, dẫn đến sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, có thể được khắc phục bằng bộ bù tại bộ dao động Một vấn đề quan trọng liên quan đến hiệu ứng Doppler là trải Doppler, xảy ra do sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi trường đa đường Trải Doppler phát sinh từ vận tốc tương đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ, gây ra quá trình "điều chế tần số" cho tín hiệu Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier do sự hiện diện của nhiều phản xạ đa đường trong môi trường bình thường, và trải Doppler khó được bù, dẫn đến suy giảm chất lượng tín hiệu.

Kết luận

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về OFDM và những vấn đề liên quan, đồng thời nhấn mạnh ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến đối với tín hiệu trong quá trình truyền Sự ảnh hưởng này có thể dẫn đến suy giảm biên độ, mất thông tin và giảm công suất tín hiệu Chương tiếp theo sẽ khám phá các đặc tính của kênh truyền và các vấn đề kỹ thuật liên quan đến OFDM.

ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG

Giới thiệu chương

Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá đặc tính của kênh vô tuyến di động và ảnh hưởng của nó đến tín hiệu, đồng thời giải quyết vấn đề ước lượng tham số kênh Ước lượng tham số kênh trong hệ thống OFDM bao gồm việc xác định hàm truyền đạt kênh nhánh và thời gian thực hiện giải điều chế kết hợp bên thu Chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp ước lượng kênh, bao gồm ước lượng kênh sử dụng ký tự dẫn đường và ước lượng Wiener.

Tổng quan về kênh vô tuyến di động

Khi tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến di động, nó sẽ gặp phải các hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và tán xạ, dẫn đến hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệu tại bộ thu thường yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các yếu tố như suy hao truyền dẫn trung bình, fading đa đường và suy hao đường truyền.

Mean propagation loss xảy ra do hiện tượng mở rộng tín hiệu, hấp thu bởi nước và lá cây, cùng với phản xạ từ mặt đất Loại tổn thất này phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi chậm, ngay cả khi các thiết bị di động di chuyển với tốc độ cao.

Suy hao đường truyền

Tại anten phát, sóng vô tuyến được truyền đi theo mọi hướng, tạo ra hình cầu Khi sử dụng anten định hướng, sóng vẫn mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng được tập trung vào một khu vực cụ thể do thiết kế của anten Điều này dẫn đến mật độ công suất của sóng giảm theo tỉ lệ với bình phương khoảng cách Công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do được mô tả qua phương trình (2.1).

P R là công suất thu được (Watts)

P T là công suất phát (Watts)

G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met

Hoặc ta có thể viết lại là :

Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

=-10logG T -10log10G R +20logf+20logR-47.6dB (2.3)

Truyền thông trong không gian tự do không quá phức tạp, cho phép chúng ta xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh cũng như các tuyến liên lạc trực tiếp, như các kết nối vi ba điểm nối điểm trong khoảng cách ngắn.

Hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB-T, và mạng LAN không dây đều gặp phải môi trường truyền phức tạp hơn, dẫn đến việc tạo ra các mô hình khó khăn hơn Đặc biệt, đối với các kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có thể tính suy hao đường truyền bằng một công thức cụ thể.

L pl 10log T 10log R 20log BS 20log 10 MS 40log (2.4)

Trong đó h BS , h MS