Tài liệu Ứng dụng công nghệ ofdm trong truyền hình số mặt đất dvb t

MỤC LỤC Trang BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ADSL Tiếng Anh Asymmetric Digital Subscriber Line Tiếng Việt Đường dây thuê bao không AM AMPS Amplitude Modulation Advaced Mobile Phone System đối xứng Điều biên Hệ thống điện thoại tiên tiến APR ASK AWGN BER Bps BPSK BS BSC BTS CDMA Access Point Repeater Amplitude Shift Keying Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Bits per second Binary Phase Shift Keying Base Station Base Station Controller Base Transmission Station Code Division Multiple Access Bộ lặp điểm truy nhập Khóa dịch biên Nhiễu tạp âm trắng Tỷ lệ bít lỗi Bit trên giây Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Bộ điều khiển trạm gốc Trạm phát gốc Đa truy nhập phân chia theo CIR CU DAB DC DFT IDFT DRM Channel Impulse Response Digital Audio Broadcasting Direct Current (0 Hz) Discrete Fourier Transform Inverse Discrete Fourier Transform Digital Radio Mondiale mã Đáp ứng xung của kênh Đơn vị dung lượng Truyền thanh số quảng bá Dòng điện một chiều Phép biến đổi Fourier Phép biến đổi Fourier ngược Hệ thống phát thanh số DS-CDMA Direct Sequence Code Division đường dài Đa truy nhập phân chia theo DSP DSSS DVB DVB-C Multiple Access Digital Signal Processing Direct Sequence Spread Spectrum Digital Video Broadcasting Digital Video Broadcasting – Cable mã dãy trực tiếp Xử lý tín hiệu số Trải phổ chuỗi trực tiếp Truyền hình số quảng bá Truyền hình số quảng bá Digital Video Broadcasting – cáp Truyền hình số quảng bá vệ Satellite tinh DVB-S DVB-T Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá ETSI -Terrestrial European Telecommunications mặt đất Viện tiêu chuẩn viễn thông EBNR Standards Institute Energy per Bit to Noise Ratio Châu Âu Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp EDGE âm Enhanced Data Rate for Global Tốc độ dữ liệu cao cho sự FDD Evolution Frequency Division Duplexing phát triển toàn cầu Song công phân chia theo FDM A Frequency Division Multiplexing tần số Đa truy nhập phân chia theo FEC FFT FIR Access Forward Error Correction Fast Fourier Transform Finite Impulse Response (digital tần số Sửa lỗi tiến Phép biến đổi Fourier nhanh Bộ đáp ứng xung (lọc số) FM Fs FSK GI GPRS GSM filter) Frequency Modulation Sample Frequency Frequency Shift Keying Guard Interval Generic Packet Radio Services Global System for Mobile Điều tần Tần số lấy mẫu Khóa dịch tần Chuỗi bảo vệ Dịch vụ vô tuyến gói chung Hệ thống thông tin di động communications toàn cầu HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area Mạng cục bộ máy tính HDTV HLR ICI Network type 2 High Definition Television Home Location Rigister Inter-Carrier Interference không dây Truyền hình phân giải cao Bộ ghi định vị thường trú Nhiễu liên kênh IDM IF IFFT Inter-Modulation Distortion Intermediate Frequency Inverse Fast Fourier Transform Méo điều chế tương hỗ Trung tần Thuật toán biến đổi nhanh ngược Fourier ISI LOS MAC Inter-Symbol Interference Line Of Sight Medium Access Controller Nhiễu liên mẫu tín hiệu Tầm nhìn thẳng Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu MS MSC Mobile Station Mobile Switching Centrer Thiết bị đầu cuối di động Trung tâm chuyển mạch di Nordic Mobile Telephone System động Hệ thống điện thoại di động NMT OFDM Orthogonal COFDM Multiplexing Coded Orthogonal Frequency tần số trực giao Ghép kênh phân chia theo Division Multiplexing tần số trực giao có mã số PAPR Peak to Average Power Ratio sửa sai Tỷ số công suất đỉnh trên PCS PCM Personal Communication System Phase Code Modulation công suất trung bình Hệ thống thông tin cá nhân Điều chế xung mã PM Phase Modulation Điều chế pha PRS Pseudo Random Sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên PSK QAM QOS QPSK SER SFN SIR SISO SNR SSB TDD Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quality Of Service Quadrature Phase Shift Keying Symbol Error Rate Single Frequency Network Signal to Interference Ratio Single Input Single Output Signal to Noise Ratio Single Side Band Time Division Duplexing Khóa dịch pha Điều chế biên vuông góc Chất lượng phục vụ Khóa dịch pha vuông góc Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu Mạng đơn tần Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu Hệ thống một anten phát/thu Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm Điều chế đơn biên Song công phân chia theo TDMA Time Division Multiple Access thời gian Đa truy nhập phân chia theo Transcoder Adapter Rate Unit thời gian Đơn vị thích ứng tốc độ mã UMTS Universal Mobile phát Hệ thống thông tin di động VLSI Telecommunications System Very Large Scale Integration cho tất cả moi người Mạch tích hợp mật độ cực TRAU Frequency Bắc Âu Division Ghép kênh phân chia theo VLR W-CDMA lớn Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú Wide-band Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo WiMax Access Worldwide WLAN Interoperability mã băng rộng for Khả năng tương tác toàn cầu Microwave Access với truy nhập vi ba Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Trang LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hàng ngày hiện nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được. Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp con người nhanh chóng nắm bắt các giá trị văn hóa, kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật…rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút, tạo ra một trào lưu “Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông” trong mọi lĩnh vực ở cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin. Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến lần lược ra đời như FDMA, TDMA ….. nhằm đáp ứng được nhu cầu về tốc độ và chất lượng truyền. Mặc dù các yêu cầu cho các dịch vụ này rất cao song vẫn yêu cầu các giải pháp thích hợp để thực hiện cho từng thế hệ. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966. Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi sử lý. OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang. Do đó sử dụng dải thông một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác mà các kỹ thuật khác không có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Trong nội dung đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu tổng quát về công nghệ OFDM và các ứng dụng trong thông tin vô tuyến. Đồ án gồm các nội dung chính sau:  Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM  Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.  Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM  Chương 4: Ứng dụng công nghệ OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T Mục đích của đồ án là nêu được nguyên lý chung, cấu trúc và các ưu nhược điểm của công nghệ OFDM. Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai. Vì thời gian có hạn và kiến thức con hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè. Trong quá trình làm đồ án em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ thầy cô, bạn bè, các anh chị lớp trên và gia đình. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đồ án ThS. Nguyễn Văn Hào cùng các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ - Trường Đại Học Quy Nhơn. Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các anh chị lớp trên đã tận tình giúp đỡ em cùng gia đình và bạn bè đã ủng hộ cả vật chất lẫn tinh thần để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày ….tháng….năm 2010 Sinh viên Đặng Văn Nam 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1. Giới thiệu chương Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960. Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao. Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lặp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu 2 suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả. Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi. Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể. Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV). 3 1.2. Khái niệm OFDM OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8) 1.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống. OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn. Tuy nhiên, nó cho phép hiệu quả phổ 4 tốt hơn. OFDM khác với FDM nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI- Inter Carrier Interference ) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung 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), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM. OFDM còn có tên gọi khác là “ Điều chế đa sóng mang trực giao” (OMCM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau. Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT (Centre Commun d’Étude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980. Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp. Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với 5 OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. 1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information signal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lặp 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. Xét một tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1, ..., N −1, t1≤ t ≤ t2. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi: Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là: 6 Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra, tức biểu thức (1.4) luôn đúng. Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m. Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2− t1 là bội số của T. OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol. 7 Hình 1.2: Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM (b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm). 8 Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(π fT). Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.2 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM. Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.2a, mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lặp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các subcarrier 1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel. May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ 9 vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi di là các chuỗi dữ liệu QAM phức, NSlà số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = tscó thể được viết như sau: Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]: Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng. Hình 1.3 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM . Hình 1.3: Bộ điều chế OFDM 10 Khi tín hiệu OFDM s(t) (1.6) ược truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không. Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n. Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến 11 đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có (N / 2) log2(N ) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơsố 4 thì chỉ cần ( 3 / 8)log 2(N − 2) phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm. Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần số cao và truyền đi. Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số, sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế. 1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM ISI ( intersymbol 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 tín hiệu trước đó. Hình 1.4: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu. Chẳng hạn như ở hình 1.4, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) 12 đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại. Khoảng thời gian trễ (mức trải trễ) này tính như sau: τ = ∆s/c khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào. Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI. Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng. Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền. Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả. Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM, đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường.Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho Ns sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường. Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v... Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau. Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng. 13 Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêmvào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol. Khoảng thời bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol. Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn. Hình 1.5 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của symbol là Ts= TG+ TFFT với Ts là : chiều dài tổng cộng của symbol, TG là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và TFFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM. Hình 1.5: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI).