Tài liệu Chương 3: Kỹ thuật OFDM

Chương 3: Kỹ thuật OFDM CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT OFDM 3.1 Giới thiệu chƣơng Trong hệ thông tin vô tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin. Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí dữ liệu trên sóng mang. Các hệ thống thông tin một tần số hạn chế tốc độ dữ liệu và hạn chế về dung lượng. Để giảm nhiễu thì các phương pháp phát tín hiệu tương tự trước đây như AM, FM cần thiết phải tăng công suất máy phát, băng tần rộng hiệu quả sử dụng băng tần thấp. Đa phân chia để chia sẻ độ rộng băng tần với nhiều kênh dữ liệu độc lập khác nhau. Năm 1980 trung tâm nghiên cứu của Pháp (tập đoàn Telecom) CCETT (Centre Commun d'Étude en Dédiufftion ét Télécommunication), đưa ra phương pháp mới để truyền tín hiệu số mà vẫn tiết kiệm được băng tần đó là OFDM. OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia toàn bộ băng tần ra thành nhiều sóng mang nhánh mà các sóng mang này phải trực giao. Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB–T (Digital Video Boadcasting – Terrestrial). OFDM còn là giải pháp kỹ thuật được đề cử cho các chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network). Do vậy, trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM: Nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng mô hình hệ thống OFDM. 3.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời, được mô tả như hình 3.1. Ở phía quá trình thu tin thì ngược lại. Trang: 27 Chương 3: Kỹ thuật OFDM å Dữ liệu tổng Dữ liệu N Chèn chuỗi bảo vệ Tốc độ R Dữ liệu 2 Bộ điều chế Dữ liệu Bộ phân chuyển đổi nối tiếp / song song Dữ liệu 1 Tin Tốc độ R/N Hình 3.1: Sơ đồ quá trình phát tin Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có thể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 3.2 Hình 3.2: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu. Trang: 28 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Hình 3.3: a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 3.3a). Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 3.3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai. 3.3 Tính trực giao Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện. K S (t).S* (t)dt    i j 0 TS i j i j (3.1) với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: Trang: 29 Chương 3: Kỹ thuật OFDM k  sin(2 t ) TS f k (t)   0  0  t  TS (3.2) t  (0, TS ) với k = 0, 1, …, N-1 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng FS  1 và trực giao từng TS đôi một do thỏa điều kiện (3.1).  k   k  Ta xét hai sóng mang Sin  2 1 t  và Sin  2 2 t   T   T  S  S     k Sin  2 π 1   TS  0 TS   k t .Sin  2 π 2   T S    1 S t t  dt   cos2 πk 1  k 2   cos2 πk 1  k 2  dt  0 (3.3) t 2 0 TS TS   T Hình 3.4: Phổ của các sóng mang trực giao Như vậy, các sóng mang thuộc tập (3.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 3.4). Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau. 3.4 Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM Như đã biết, OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách Trang: 30 Chương 3: Kỹ thuật OFDM này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,....Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Nhằm giải quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT có vai trò giống như hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế. Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là[10] N 1 X ( k )   x ( n)e  j 2 kn N , k = 0, 1, …, N-1 n 0 (3.4) - Công thức của phép biến đổi IDFT là x ( n)  N 1 1 N  X ( k )e j 2 kn N k 0 , k = 0, 1, …, N-1 (3.5) - Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (3.4), (3.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm:  Thời gian thực hiện phép nhân phức.  Thời gian thức hiện phép cộng phức.  Thời gian đọc các hệ số e   j 2N .  Thời gian truyền số liệu. Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT. Để tính trực tiếp cần N 2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn hơn tính trực tiếp là N log 2 N . Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh 2 2N . log 2 N Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Trang: 31 Chương 3: Kỹ thuật OFDM 3.5 Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang 3.5.1 Khái niệm Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó. Hình 3.5: Phổ của bốn sóng mang trực giao Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng zero. Máy thu lấy mẫu các ký tự data trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI). Trang: 32 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 3.5 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao. Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT. Biên độ Hình 3.6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao. tần số Hình 3.6: Phổ của bốn sóng mang không trực giao ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM. Trang: 33 Chương 3: Kỹ thuật OFDM 3.5.2 Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu Hình 3.7: Ảnh hƣởng của ISI Hình 3.7 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI. Hình 3.8: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trước đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng rỗng do đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (Hình 3.8), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế người ta chèn khoảng bảo vệ ∆G được copy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình 3.9. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI. Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được loại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế Trang: 34 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Hình 3.9: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 3.6 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM - OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio) - Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM. 3.6.1 Ƣớc lƣợng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn Trang: 35 Chương 3: Kỹ thuật OFDM đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM :  Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.  Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh: Phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.6.2 Đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). 3.6.2.1 Đồng bộ ký tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise). Trang: 36 Chương 3: Kỹ thuật OFDM  Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là: Đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization)và đồng bộ tinh (fine synchronization).  Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu. 3.6.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : Lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số.  Lỗi tần số Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). Trang: 37 Chương 3: Kỹ thuật OFDM  Ƣớc lƣợng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 3.6.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là : Lấy mẫu không đồng bộ. Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ. 3.6.3 Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) - Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM. - PAPR của một ký tự OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương của mẫu này: Trang: 38 Chương 3: Kỹ thuật OFDM PAPR  max m  0 ,1,...N 1 Xm Xm 2 (3.6) 2 - PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu - Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1. Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8 - Có hai phương pháp giảm PAPR chính :  Đưa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.  Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PAPR thấp. 3.7 Hệ thống OFDM Nhiễu Hình 3.10 Sơ đồ một hệ thống OFDM Trang: 39 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Sơ đồ hệ thống OFDM được cho như hình 3.10. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk. Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT: k j 2 n N 1 j 2f t 1 N 1 N  1  Dk .e k n d n   Dk .e N k 0 N k 0 (do (3.7) f k n  k n  f k nTs  f k t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng mang) N fs Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian. 1 y(n)  Re{d[n]}  N 1  N N 1  Re{( A k  jB k ).(cos2f k t n  jsin2f k t n )} k 0 N 1  ( A cos 2f t k k n  Bk sin2f k t n ) (3.8) k 0 Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền. 1 y (t )  N N 1  ( A cos2f t  B sin2f t ) k k k k (3.9) k 0 Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: Tín hiệu OFDM được đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu. N 1 Dk    d n.e  j 2 k n N n 0 3.8 Ƣu điểm và khuyết điểm của OFDM 3.8.1 Ƣu điểm + Tăng hiệu quả sử dụng băng thông. Trang: 40 (3.10) Chương 3: Kỹ thuật OFDM + Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng. + Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. + Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT. + Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao. 3.8.2 Khuyết điểm + Nhạy với offset tần số - Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler. - Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được. + Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI. + Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn. 3.9 Tổng kết chƣơng Trong chương này đã trình bày khá chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống sử dụng OFDM. Do hệ thống MC-CDMA dựa trên sự kết hợp kỹ thuật CDMA và OFDM nên các kiến thức cơ bản ở trên và chương trước giúp chúng ta hiểu rõ hơn khi tìm hiểu kỹ thuật MC-CDMA. Trang: 41