Nguyên lý điều chế OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing)

Chương 2: Cơ sở truyền hình số độ phân giải cao HDTV

2.5 Điều chế đa sóng mang

2.5.1 Nguyên lý điều chế OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing)

a. Khái quát

Trong truyền dẫn tín hiệu số, dòng dữ liệu thường được truyền như một chuỗi xung nối tiếp tới đầu vào bộ điều chế, thực hiện điều chế một sóng mang.

Quá trình truyền dẫn nối tiếp như vậy với tốc độ truyền dẫn lớn thường dẫn đến hậu quả là độ rộng băng tín hiệu lớn và đòi hỏi phải áp dụng san bằng nhằm duy trì sự bằng phẳng của đặc tính tần số của kênh trên cả băng tần tín hiệu. Trong trường hợp độ rộng băng tín hiệu quá lớn hoặc đặc tính đường truyền quá phức tạp, chẳng hạn như trong các kênh có pha-đinh đa đường, để bảo đảm hàm truyền của kênh bằng phẳng từ đầu đến cuối băng tín hiệu thì ngoài việc áp dụng san bằng người ta còn sử dụng phương án điều chế nhiều sóng mang (multi-carrier).

Phương pháp điều chế đa sóng mang là việc tách dòng dữ liệu nối tiếp đầu vào thành một số dòng con song song với tốc độ thấp hơn, mỗi một dòng điều chế một sóng mang khác nhau hình thành nên các kênh con. Phương pháp này thực chất là chia dòng dữ liệu lối vào thành nhiều dòng con song song và truyền chúng trên các kênh con thực hiện ghép kênh theo tần số. Các sóng mang được phân cách nhau một cách thích hợp nhằm tránh các kênh con gây nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên, việc phân cách sóng mang như vậy dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng băng tần do giữa các kênh con cần có một khoảng phòng vệ nhất định.

Đã từ lâu, việc truyền dẫn chuỗi các tín hiệu số theo kiểu song song bằng cách ghép theo tần số với các kênh con chồng lấn lên nhau nhờ sử dụng tính trực giao lẫn nhau của các tín hiệu kênh con đã được đề xuất nhằm tránh phải sử dụng san bằng, tăng khả năng chống nhiễu và tận dụng băng tần sẵn có. Đi tiên phong trong vấn đề này là hai tác giả nhà khoa học S. B. Weinstein và Paul M. Ebert với bài “Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transfom” (IEEE Trans. on Com. Tech., Oct., 1971). Trong công trình

68

đầu tiên về phương thức điều chế này, tên gọi OFDM vẫn còn chưa xuất hiện, mãi sau này với hàng loạt nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau thì tên gọi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) − Ghép kênh đa tần số trực giao mới xuất hiện. COFDM chính là Coded OFDM và được gọi là phương pháp ghép đa tần trực giao có mã. Trong đó:

• Sử dụng phương pháp ghép theo tần số (COFDM)

• Các sóng mang trực giao (COFDM).

• Sử dụng hệ thống mã sửa lỗi (COFDM).

Hình 2.20a Ghép kênh FDM và OFDM

b. Nguyên lý ghép kênh OFDM

Đối với các hệ thống ghép kênh theo tần số trực giao, dòng dữ liệu lối vào được phân thành các dãy N digit và mỗi một digit của từng dãy thực hiện điều chế

69

một sóng mang con. Các sóng mang con này cách sóng mang con bên cạnh một khoảng đúng bằng 1/T, trong đó T là độ dài của dãy N digit. Hình dưới đây mô tả phương thức ghép và điều chế như thế. Kết quả là chúng ta có được một tín hiệu đa tần có tính trực giao giữa các thành phần cấu thành.

t f

ej2π1 t f

ej2π0

t f

j N

e 2π −1 TS

N T = .

TS

Tb x (t )

Hình 2.20b Điều chế đa sóng mang

Tính trực giao là một khái niệm toán học, một cách đơn giản có thể lý giải sự trực giao giữa các tín hiệu kênh con trong OFDM như sau. Mỗi sóng mang con được điều chế bởi dòng con symbol hay digit dữ liệu (đã được tạo dáng thích hợp) sẽ có một phổ với các biên tập trung quanh tần số sóng mang như được thể hiện trên hình 2.20c. Phổ này có một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm không tại các tần số biên tương ứng với các bội số tốc độ của dãy symbol đưa vào điều chế.

Một khi phân cách giữa các sóng mang được lựa chọn như đã nói ở trên thì đỉnh của một phổ kênh con bất kỳ sẽ trùng với các điểm không của phổ các kênh còn lại (hình vẽ 2.20c). Việc giải điều chế kết hợp của từng một kênh con vì thế sẽ không bị xuyên nhiễu bởi các kênh còn lại. Điều này thì cũng tương tự như việc giải điều chế kết hợp không có ISI (InterSymbol Interference) thực hiện trên miền thời gian đối với các tín hiệu số được truyền qua kênh có đặc tính lọc thoả mãn

70

tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, chỉ khác là ở đây tính trực giao được xét trên miền tần số mà thôi.

Hình 2.20c So sánh các dạng sóng trong các hệ thống truyền dữ liệu song song và nối tiếp.

a) Dòng bít nối tiếp gồm 6 digit nhị phân.

b) Dạng tín hiệu băng gốc tiêu biểu truyền theo kiểu nối tiếp.

c) Các dạng sóng tiêu biểu được cộng lại để tạo nên tín hiệu dữ liệu truyền song song.

e0 e1 e2 e3 e4 e5

+1 -1

(a)

(b)

a5cos(10πt/T)

+1

(c)

a4cos(8πt/T)

-1

a3cos(6πt/T)

+1

a2cos(4πt/T)

+1

a0

+1

a1cos(2πt/T)

-1

T T T T T T

71

Trên sơ đồ khối hình 2.23, để đơn giản các khối biến đổi nối tiếp-song song (ở phần phát) và biến đổi song song-nối tiếp (ở phần thu) tồn tại một cách cố hữu trong các hệ thống OFDM đã không được vẽ.

Hình 2.23: Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống OFDM

Hoạt động của hệ thống trên sơ đồ khối hình 2.23 có thể trình bày được một cách vắn tắt như sau: Chuỗi bít lối vào được mã Gray thành chuỗi symbol, mà như đã biết một symbol ck có thể biểu diễn được bằng một số phức ak+jbk ứng với một điểm trên chòm sao tín hiệu. Chuỗi symbol nối tiếp đầu vào được biến đổi thành N chuỗi thành phần song song. Trên hình 2.23 đây chính là dữ liệu lối vào (Data in).

N dòng số liệu song song này được đưa vào khối biến đổi ngược Fourier rời rạc

IDFT Modu- Channel Demod DFT

lator Data

in Data

out

≈

Hình 2.21: Phổ của một sóng mang đơn

Hình 2.22: Phổ của các sóng mang trực giao

72

(IDFT), phần thực của kết quả biến đổi ngược Fourier được chuyển đổi thành dạng nối tiếp, cho qua lọc thông thấp rồi được đưa tới mạch điều chế cầu phương thực hiện dịch phổ tín hiệu tới tần số công tác (RF).

Tại phần thu, tín hiệu nhận được được giải điều chế cầu phương kết hợp, lấy mẫu tại tốc độ symbol 1/T, sau đó được đưa vào bộ biến đổi Fourier rời rạc để khôi phục tín hiệu ban đầu, trong đó mỗi một symbol nhận được ở đầu ra ứng với một kênh sóng mang con. Chuỗi symbol song song lối ra này được biến đổi song song-nối tiếp rồi được giải mã để có được chuỗi bít dữ liệu ban đầu. Bộ giải điều chế ở phần thu bao hàm cả một mạch lọc thông thấp nhằm hạn chế tác động tạp âm và xuyên nhiễu từ các kênh cạnh nhau mà không làm méo tín hiệu.

Hình 2.24 Ghép kênh FDM và OFDM