Tài liệu Khử ICI cho hệ thống thông tin di dộng dùng OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÙI THỊ DÂN KHỬ ICI CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG OFDM LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Viết Kính Hà nội - 2005 MỤC LỤC BẢNG CHÚ THÍCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................1 Các hình sử dụng trong đề tài ........................................................................3 Các bảng sử dụng trong đề tài .......................................................................4 MỞ ĐẦU ..........................................................................................................5 CHƯƠNG 1 : HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MÔI TRƯỜNG ...............6 TRUYỀN DẪN ................................................................................................6 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG ................................... 6 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ...................................... 6 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ....................................... 6 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.5 ........................................ 7 1.1.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba ......................................... 7 1.1.5. Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin ........................................... 8 1.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU .................. 8 1.2.1. Đặc tính sóng vô tuyến .................................................................... 8 1.2.2. Suy hao đường truyền ....................................................................... 9 1.2.3. Phading ............................................................................................ 9 CHƯƠNG 2 : HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG OFDM .....................................14 2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM ................14 2.1.1. Đặc điểm .........................................................................................14 2.1.2.Mô tả toán học của tín hiệu OFDM ...............................................15 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM ĐIỂN HÌNH ....................................................18 2.2.1. Ánh xạ tín hiệu: ...............................................................................18 2.2.2. Biến đổi nối tiếp-song song: ............................................................19 2.2.3. Biến đổi IFFT/FFT: .........................................................................19 2.2.4. Chèn khoảng bảo vệ ........................................................................21 2.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM.....................................23 2.3.1.Ưu điểm ...........................................................................................23 3.7.2. Nhược điểm: ....................................................................................26 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ OFDM VÀ MÔ PHỎNG ...........................29 3.1.CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ MỘT HỆ OFDM.....................................29 3.2.CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ............................................................30 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...............................................................................32 CHƯƠNG IV : VẤN ĐỀ CAN NHIỄU GIỮA CÁC SÓNG MANG KHI CÓ OFFSET VÀ DOPPLER ........................................................................34 4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA OFFSET VÀ DOPPLER ......................................34 4.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHỬ ICI ................................................34 4.2.1.Mô hình hệ thống ............................................................................34 4.2.2.Sơ đồ tự triệt nhiễu ICI (SC)[8] ........................................................38 4.2.3.Phương pháp gần giống nhất (ML) ..................................................40 4.2.4.Phương pháp lọc Kalman mở rộng ...................................................42 61 4.2.5.Mô phỏng và kết quả .......................................................................47 KẾT LUẬN ....................................................................................................59 Tài liệu tham khảo .............................................. Error! Bookmark not defined. 62 BẢNG CHÚ THÍCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CIR Carrier-to-interference ratio DAB Digital Audio Broadcasting DFT Discrete Fourier Transform DVB Digital Video Broadcasting EBNR Energy per Bit to Noise Ratio EKF Extended Kalman filter FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform GSM Global System for Mobile communications ICI Inter-Carrier Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform IQ Inphase Quadrature ISI Inter-Symbol Interference ML Maximum likelihood OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak to Average Power Ratio PRC Peak Reduction Carriers 1 P/S Paralell to Serial PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation SC Self-cancellation S/P Serial to Paralell SNR Signal to Noise Ratio TDM TimeDivision Multiplexing W-CDMA Wide-band CodeDivision Multiple Access 2 Các hình sử dụng trong đề tài Hình 1.1. Độ di tần Doppler Hình 2.1. Dạng tín hiệu OFDM theo thời gian của một symbol Hình 2.2. Phổ của (a) một kênh con OFDM và (b) tín hiệu OFDM. Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình Hình 2.4. Giản đồ chòm tín hiệu 16QAM. Hình 2.5. Giản đồ chòm tín hiệu của tín hiệu thu 16QAM có nhiễu Hình 2.6. Chèn khoảng bảo vệ Hình 2.7. Chèn khoảng bảo vệ chống lại ISI Hình 2.8. Các ký hiệu OFDM thu sau khi truyền qua kênh đa đường (a) Không có khoảng bào vệ, ( b ) Bảo vệ nhỏ hơn trễ, (c) Bảo vệ lớn hơn trễ Hình 2.9. Phổ của tín hiệu QAM trước và sau khi qua kênh Hình 2.10. Phổ của tín hiệu OFDM trước và sau khi qua kênh Hình 2.11. Hiệu suất sử dụng dải thông của FDM so với OFDM Hình 3.1. Hiệu năng BER của hệ thống OFDM theo các giá trị độ lệch tần số khác nhau Hình 4.1: Mô hình dịch chuyển tần số. Hình 4.2. Các hệ số ICI với N=16 sóng mang. Hình 4.3. So sánh giữa S(l-k), S'(l-k)và S''(l-k) với N=64 và =0.2. Hình 4.4. Đối chiếu sự ước lượng theo gần giống nhất và thực tế với các giá trị khác nhau của Eb/No Hình 4.5. Ước lượng đệ quy của độ lệch tần số chuẩn Hình 4.6. Hiệu năng BER của hệ thống OFDM chuẩn không triệt ICI. Hình 4.7. Hiệu năng BER của sơ đồ triệt ICI, =0.05. Hình 4.8. Hiệu năng BER của sơ đồ triệt ICI, =0.30. Hình 4.9. CIR theo  của hệ thống OFDM chuẩn và sơ đồ SC. Hình 4.10. So sánh BER của hệ OFDM chuẩn và hệ OFDM triệt ICI dùng sơ đồ SC. 3 Các bảng sử dụng trong đề tài Bảng 4.1. Yêu cầu SNR và cải thiện cho BER ở 10 -2 với sơ đồ BPSK Bảng 4.2. Yêu cầu SNR và cải thiện cho BER ở 10-2 với sơ đồ 4-QAM. 4 MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo ra các dịch vụ tốc độ cao, nhờ đó đáp ứng các nhu cầu trao đổi thông tin ngày một tăng của con người với độ chính xác và tin cậy cao, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến, với đặc điểm môi trường nói chung không thuận lợi như truyền thông hữu tuyến, yêu cầu thiết kế hệ thống hợp lý để cung cấp hiệu năng hệ thống truyền thông tin cậy là vấn đề khó khăn. Để đạt được mục tiêu của các dịch vụ vô tuyến tổ ong băng rộng cần thiết phải chuyển đổi sang các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 (4G). Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, một kỹ thuật điều chế cho các hệ thống truyền thông đa sóng mang, là một ứng cử viên cho các chuẩn truyền thông 4G. Trong những năm gần đây, các hệ thống truyền thông đa sóng mang đã được ứng dụng nhiều như quảng bá audio số DAB, quảng bá video số DVB. Đặc biệt trong những năm gần đây, việc áp dụng OFDM cho các hệ thống Wireless LAN thu được nhiều thành tựu đáng kể, công nghệ OFDM được sử dụng làm cơ sở tầng vật lý PHY trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc Mỹ và HiPerLAN/2 ở Châu Âu, được xem xét cho các tiêu chuẩn IEEE 802.11g và WLAN 802.16. Điều chế đa sóng mang có nhiều ưu điểm so với các hệ đơn sóng mang như kháng nhiễu tốt trên kênh fading đa đường, nâng cao hiệu suất phổ... nhưng mặt khác nó cũng có những nhược điểm như tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR cao, hay nhiễu ISI, ICI... Luận văn này đề cập đến vấn đề triệt nhiễu xuyên sóng mang cho hệ thống OFDM. 3 phương pháp được xem xét đó là các phương pháp tự triệt nhiễu SC, phương pháp ước lượng gần giống nhất ML, phương pháp lọc Kalman mở rộng EKF. 5 CHƢƠNG 1 : HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MÔI TRƢỜNG TRUYỀN DẪN 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG [1] Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 cho đến nay, thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số luợng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định. Trong tương lai số luợng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và song song với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng. Điều này đã khiến các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các giải pháp kỹ thuật để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin. 1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật analog. Tất cả các hệ thống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA. Các hệ thống mạng di động 1G được dùng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên do tình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên . Các hệ thống mạng di động 1G bao gồm các hệ thống : • AMPS • ETACTS • NMT ... 1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Là một mạng thông tin di động số băng hẹp, phương pháp đa truy cập TDMA (Time Division Multiple Access) và CDMA (Code 6 Division Multiple Access) được sử dụng kết hợp FDMA. Hệ thống mạng di động 2G sử dụng cho dịch vụ thoại và truyền số liệu. Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống : • IS-95 • GSM ... 1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2.5 (2.5G) Hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di đ ộng thế hệ thứ 2 (2G) và thứ 3 (3G). Nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G. Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp, không đòi hỏi sự thay đổi có tính chất đột biến. Các hệ thống mạng 2.5G: • GPRS • EDGE ... 1.1.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) Là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạch bất kỳ, có khả năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiều tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps. Mặc dù 3G được tính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho hệ thống này rất tốn kém. Các hệ thống mạng 3G: 7 • WCDMA • UMTS 1.1.5. Cuộc cách mạng của hệ thống thông tin Hệ thống thông tin di động thương mại được đưa vào ứng dụng tại Mỹ năm 1946, sử dụng băng tần 150MHz với khoảng cách kênh là 60KHz và số lượng kênh bị hạn chế là 3 kênh. Đó là hệ thống bán song công. Sau khi cải tiến, hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở băng tần 150Mhz và hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh ở băng tần 459Mhz đã được sử dụng vào năm 1969. Đây là hệ thống song công, trong đó một trạm gốc BS có thể phục vụ cho vùng bán kính rộng đến 80km. Cho đến nay, công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây. Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùng theo chuẩn IEEE802.11b, cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps. Các tiêu chuẩn WLAN mới như IEEE802.11a và HyperLAN2 dựa trên công nghệ OFDM cung cấp tốc độ dữ liệu tới 54Mbps. Tuy nhiên trong tương lai gần các hệ thống sẽ yêu cầu các mạng WLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn 100Mbps. Do vậy cần phải cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu của các hệ thống OFDM trong các ứng dụng WLAN . Mạng di động thế hệ thứ ba và bốn cung cấp cho khách hàng tốc độ dữ liệu cao, phạm vi dịch vụ lớn như thông tin thoại, điện thoại truyền hình và truy cập Internet với tốc độ cao. OFDM là một ứng cử viên tiềm năng của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư. 1.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 1.2.1. Đặc tính sóng vô tuyến Đối với đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ bao gồm các đường truyền tín hiệu đơn trực tiếp, nó sẽ được tái tạo hoàn chỉnh như ban đầu. Tuy nhiên, trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốt 8 quá trình truyền. Điều này thể hiện, tín hiệu nhận được bao gồm các tín hiệu suy giảm, phản xạ và tán xạ từ các đối tượng ở gần như đồi núi, cao ốc, nhà cửa, xe cộ... Ta sẽ xem xét các đặc điểm cơ bản là vấn đề suy hao và phading Bộ chuyển đổi Phía phát Tín hiệu phản xạ Tín hiệu trực tiếp 1.2.2. Suy hao đường truyền Suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách và theo tần số. Trong không gian tự do thì suy hao này tỷ lệ với bình phương khoảng cách. Tuy nhiên các hiệu ứng về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu thu được sẽ thăng giáng ngẫu nhiên. Hiện tượng này được gọi là phading logarit chuẩn. Okumura và Hata đã xây dựng công thức thực nghiệm để mô hình hoá loại phading này [2] Lp ( d )( dB )  Ls ( dB )  10nlg( d )  X  ( dB ) d0 (1.1) với Lp : hàm của khoảng cách d giữa nơi phát và nơi thu d0 : khoảng cách chuẩn từ 1m đến 1km tuỳ theo mô hình được chọn Ls : suy hao tại điểm có khoảng cách chuẩn d0 n : hệ số mũ suy hao X : là một giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn có phương sai  1.2.3. Phading Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn sóng vô tuyến. 9 Không giống như các kênh truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thì các kênh truyền dẫn vô tuyến là rất ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán. Có hai loại mô hình truyền dẫn đã được sử dụng để nghiên cứu là: -Mô hình truyền dẫn phading quy mô lớn (large-scale phading) -Mô hình truyền dẫn phading quy mô nhỏ (small-scale phading) Ta chỉ xem xét các hiện tượng phading trong mô hình truyền dẫn phading quy mô nhỏ. 1.2.3.1.Khái niệm phading Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể được truyền đồng thời trên hai nhiều đường truyền sóng do các hiện tượng vật lý như phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ...Tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục. Hiện tượng này gọi là phading. 1.2.3.2.Truyền đa đường Truyền đa đường trong kênh vô tuyến tạo ra các hiệu ứng phading quy mô nhỏ, trong đó có 3 hiệu ứng quan trọng sau: - Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong khoảng thời gian ngắn - Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau - Sự lệch thời gian gây ra bởi độ trễ của các tín hiệu truyền đa đường. Trong các vùng đô thị, suy giảm xảy ra do chiều cao của anten di động thấp hơn các công trình xây dựng xung quanh, nên không có đường truyền thẳng từ trạm cơ sở đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Tín hiệu thu được tại máy di động gồm một số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha 10 và góc tới ngẫu nhiên. Thậm chí máy di động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh vô tuyến. Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy đi động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với vận tốc không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian. Do tính giao thoa của sóng mà máy có thể di chuyển qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu thu trong thời gian dài. Do sự chuyển động tương đối giữa máy di động và trạm gốc, mỗi sóng nhiều đường truyền chịu một độ dịch chuyển rõ rệt về tần số. Sự dịch chuyển tần số thu được do chuyển động được gọi là dịch chuyển Doppler, nó tỷ lệ thuận với vận tốc và phương chuyển động của máy di động so với phương tới của sóng nhiều đường truyền thu được. 1.2.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến phading đa đường Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến phading quy mô nhỏ, đó là: -Sự truyền đa đường: Các vật phản xạ và tán xạ trong kênh gây ra sự thay đổi môi trường một cách không đổi, môi trường này phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian. Các ảnh hưởng trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian. Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều đường truyền gây ra các thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phading quy mô nhỏ, hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai. Sự truyền đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu, điều này gây nên hiệu ứng ISI. -Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa đến điều chế tần số ngẫu nhiên do sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền. 11 -Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động, chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các đường truyền. Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn phading quy mô nhỏ. Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh có thể bỏ qua, và chỉ có tốc độ của máy di động cần được xem xét. -Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng giáng mạnh. Nếu dải rộng của tín hiệu truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu được không bị méo dạng song cường độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh. 1.2.3.4.Độ di tần Doppler Xét một máy đi động chuyển động với vận tốc không đổi v, dọc theo một đoạn đường có độ dài d giữa các điểm X và Y, trong khi nó nhận các tín hiệu từ một nguồn S ở xa. Hiệu số về độ dài đường truyền mà sóng đi từ nguồn S tới máy di động ở điểm X và Y là:   2l   2 vt  cos  (1.2) Do vậy, sự thay đổi về tần số hay dịch chuyển Doppler là fd, trong đó: fd  1   2 t (1.3) Phương trình trên liên hệ giữa độ dịch chuyển Doppler với vận tốc của máy di động và góc không gian giữa phương chuyển động của máy di động và phương tới của sóng. Ta thấy nếu máy di động chuyển động về phía chiều tới của sóng, thì dịch chuyển Doppler là âm [2]. 12 S l   X d Y v Hình1.1. Độ di tần Doppler 13 CHƢƠNG 2 : HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG OFDM Kỹ thuật ghép kênh tần số trực giao là sự phát triển khái niệm ghép kênh phân chia theo tần số truyền thống. Ở đây các tần số sóng mang trực giao với nhau để tăng hiệu quả sử dụng băng tần kênh mà vẫn đảm bảo khả năng chống nhiễu kênh lân cận. Nội dung chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản của hệ OFDM bao gồm ICI, ISI, khoảng bảo vệ...nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng sóng mang con và độ dài khoảng bảo vệ đến hiệu năng hệ thống OFDM. Hơn nữa, chúng ta sẽ giải thích mối quan hệ giữa các tham số OFDM khác nhau, so sánh sự khác nhau giữa OFDM và các hệ thống truyền thông đơn sóng mang. 2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG OFDM 2.1.1. Đặc điểm Hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là hệ thống truyền thông sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bít thấp hơn và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau. Cũng giống như hệ đa sóng mang MCM thông thường khác, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các sóng mang con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau mà không gây nhiễu, tăng hiệu quả băng tần. Mặc dầu công nghệ này đã được biết từ những năm 60 của thế kỷ trước trong các hệ thống vô tuyến quân sự nhưng ít được quan tâm. Chỉ khi các công nghệ xử lý tín hiệu phát triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các thuật toán FFT/IFFT cho điều chế/ giải điều chế tín hiệu đa sóng mang, thuật toán chèn khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa ISI và ICI... đã đem đến nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống OFDM. 14 Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng được tách ở máy thu mà không bị nhiễu của sóng mang khác, nhờ vậy hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến trong đó suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading. Trong đó, OFDM với nhiều tần số sóng mang con, fading chỉ ảnh hưởng hữu hạn lên sóng mang con và vì rằng toàn bộ các sóng mang con băng hẹp nên với thông tin được điều chế trong chúng được truyền qua kênh một cách tin cậy, đảm bảo cung cấp chất lượng kết nối và truyền thông qua các kênh vô tuyến. Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng hoặc cân bằng đơn giản mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần số. Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán theo thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường. Đây là lý do chính khiến OFDM được sử dụng trong các hệ thống quảng bá như đường thuê bao số không đối xứng ADSL, DAB và DVB của ETSI cũng như được đề xuất cho các tiêu chuẩn WLAN như ETSI Hiper LAN2, WLAN 802.11. Công nghệ OFDM đã giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDM và TDMA, OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA. Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có băng thông rất hẹp, do đó tốc độ ký hiệu thấp, điều này làm cho tín hiệu chịu được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễ truyền đa đường phải rất dài mới gây giao thoa ký hiệu ISI đáng kể. 2.1.2.Mô tả toán học của tín hiệu OFDM [11] Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức: Sn (t )  A n (t )e jn t n ( t )  15 (2.1) Phương pháp điều chế OFDM sử dụng nhiều sóng mang, tín hiệu OFDM là tổng của các sóng mang phụ được điều chế về pha hoặc biên độ, một ký hiệu OFDM được thể hiện bởi công thức: Ss ( t )  1 N 1  A i (t)e jn t n ( t ) N n 0 (2.2) Trong đó n  0  n Tất nhiên đây là một tín hiệu liên tục. Nếu dạng sóng của mỗi phần tử tín hiệu trên một chu kỳ ký tự được xem xét thì các biến số An(t) và n(t) sẽ nhận các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, tức: n ( t )  n An ( t )  An Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu 1/T (T: là chu kỳ lấy mẫu) thì tín hiệu hợp thành là: S n (kT)  1 N 1  A n e j(0 n)n ( t ) N n 0 (2.3) Khoảng thời gian ký hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn =NT (2.4) Để đơn giản, không làm mất tính tổng quát giả sử 0=0, tín hiệu trở thành: 1 N 1 Ss (kT )   An e jn e j ( n ) kT N n 0 So sánh biểu thức (1.4) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược 16 (2.5) 1 N 1 n j 2 nk / N g (kT )   G( )e N n0 NT (2.6) Biểu thức (2.5) và (2.6) là tương đương nếu: f  1 1  NT  (2.7) Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao. Do đó điều kiện củaviệc bảo toàn tính trực giao tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng các thủ tục biến đổi Fourier. Chu kỳ ký hiệu Hình 2.1: Dạng tín hiệu OFDM theo thời gian của một symbol Hình 2.2. Phổ của (a) một kênh con OFDM và (b) tín hiệu OFDM. 17