Bài giảng Kỹ thuật OFDM và ứng dụng - Phan Văn Hợp

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG SV: PHAN VĂN HỢP BÙI QUANG DŨNGI. TỔNG QUAN VỀ OFDMKỹ thuật OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật FDM (ghépkênh theo tần số).Trong FDM các sóng mang con đượcđặt cách nhau một khoảng tần số. Do đó giữa các sóngmang có một khoảng tần số không sử dụng để mang tintức. Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao(OFDM_Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thànhrất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóngmang 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 dữliệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ các sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang mà không gây nhiễu. Do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. II. TRỰC GIAO TRONG OFDM Tín hiệu được gọi là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lượng thông tin. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao. Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại của symbol. Như vậy trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau, mặc dù phổ tần của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng không gây nhiễu cho nhau Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chỗ: tại mỗi đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0. Ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục mà là các mẫu rời rạc. Các mẫu đó được biểu diễn bởi các khuyên tròn (o) trên hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tương ứng với đỉnh của các sóng mang con. Và cứ như vậy thì sự chồng phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu. III. NGUYÊN LÝ THU PHÁT OFDMIV. NHIỄU TRONG OFDMNHIỄU ISITín hiệu có biểu diễn càng trải dài trong miền thời gian thì có phổ càng hẹp trong miền tần số và ngược lại, tín hiệu có phổ trong miền tần số càng rộng thì biểu diễn trong miền thời gian càng hẹpTín hiệu cần truyền qua kênh có biểu diễn trong miền thời gian là hẹp ( vì chỉ trong thời gian t rất ngắn) vì thế nó có phổ tần số rất rộng. Trong khi đó kênh truyền tin thì có băng thông có hạn nên khi phát tín hiệu qua kênh phổ tần của tín hiệu bị băng tần cho phép của kênh cắt ngắn. Do đó tín hiệu thu đc có phổ tần hẹp. Khi chuyển qua miền thời gian thì nó lại là kéo dài nên 2 tín hiệu gầnnhau có phần kéo dài chồng lấn lên nhau gây ra nhiễu ISINhư ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông cho trước ở trên chia cho N sóng mang con. Do vậy tốc độ bit của mỗi tín hiệu OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả năng chịu ISI rất tốt Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trước mỗi symbol. Dải bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, thường thì người ta hay dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ. Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn được liên tục, không có sự ngắt quãng giữa các symbol. Tổng chu kỳ ký tự lúc này là Ttotal = Tg + T Tg là khoảng thời gian bảo vệ T là chu kỳ thực của ký tự. Khi khoảng bảo vệ dải hơn đáp ứng xung của kênh hay trễ đa đường thì nhiễu xuyên ký tự ISI được loại bỏ. Mục đích dùng khoảng bảo vệ trước chu kỳ ký tự là duy trì đồng bộ ở phía thu, tín hiệu thay cho một khoảng dài im lặng luôn được truyền đi. NHIỄU ICI ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con.Nguyên nhân và ảnh hưởng của ICIICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần số), nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu. Hậu quả làsẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con, dẫnđến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao. Giải pháp khắc phụcCó thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, vàdùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Các hoa tiêu giúp cho việcước tính, cân bằng được thực hiện để bù .VI. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA OFDMƯu điểmSử dụng có hiệu quả băng thông vì các kênh con có thể chồng gối lên nhau mà gây nhiễu rất ít do các sóng mang con trực giao với nhau.OFDM cho phép truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di động vì chu kỳ tín hiệu tăng nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM Chu kỳ ký tự tăng lên vì vậy độ nhạy cảm của hệ thống với trải rộng trễ giảm xuống.Nhược điểmTín hiệu OFDM bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất phía phát vì nó là tổ hợp của điều chế biên độ - tần số,OFDM nhạy cảm với độ dịch tần số sóng mang Ở bên thu khó quyết định thời điểm bắt đầu FFTVII. ỨNG DỤNG CỦA OFDMph¸t thanh sè dab. Mét kªnh OFDM cã thÓ truyÒn mét vµi ch­¬ng trình ph¸t thanh, mçi ch­¬ng trình cã thÓ cã chÊt l­îng thay ®æi mono hay stereo. Mçi kªnh audio ®­îc m· hãa ®­îc m· hãa ©m thanh víi tèc ®é tõ 32 Kbps ®Õn 382 Kbps. Dßng bÝt nµy ®­îc m· hãa vßng xo¾n víi tèc ®é m· 1/2 vµ ®­îc cµi xen (interleaving). C¸c dßng bÝt ®­îc ghÐp kªnh theo thêi gian vµ ®­a tíi bé ®iÒu chÕ OFDM. Tèc ®é bit tæng céng lµ 3.2 Mbps. Bëi vì tèc ®é cña c¸c kªnh audio ®­îc truyÒn trong mét kªnh OFDM còng thay ®æi theo. Mét hÖ thèng ®iÓn hình truyÒn 6 kªnh audio víi tèc ®é 192 Kbps.2. truyÒn HÌNH sè dvb. TruyÒn hình sè qu¶ng b¸ DVB (Digital Video Broadcasting) lµ mét kh¸i niÖm réng bao gåm truyÒn hình, c¸c øng dông ®a ph­¬ng tiÖn di ®éng (Mutilmedia Mobile Aplication) vµ c¸c dÞch vô cung cÊp dữ liÖu kh«ng d©y. OFDM ®­îc sö dông trong truyÒn hình sè DVB vì:Lo¹i bá nhiÔu: sù tån t¹i ®ång thêi cña truyÒn hình sè vµ truyÒn hình t­¬ng tù yªu cÇu hÖ thèng tuyÖt ®èi kh«ng g©y nhiÔu víi truyÒn hình t­¬ng tù vµ c¸c nhiÔu băng hÑp kh¸c, bëi vì truyÒn hình t­¬ng tù rÊt nh¹y c¶m víi nhiÔu. HiÖu øng ®a ®­êng: sãng truyÒn theo nhiÒu ®­êng tíi m¸y thu víi trÔ truyÒn dÉn kh¸c nhau lµ nguyªn nh©n chÝnh lµm suy gi¶m chÊt l­îng c¸c kªnh truyÒn hình mÆt ®Êt. KiÕn tróc m¹ng ®¬n tÇn SFN cña DVB t¹o ra nhiÒu tÝn hiÖu cïng tíi m¸y thu tõ c¸c tr¹m ph¸t kh¸c nhau vµ do ph¶n x¹ th«ng th­êng. Sù tån t¹i cña nhiÒu tÝn hiÖu víi ®é trÔ kh¸c nhau t¹i m¸y thu yªu cÇu mét kü thuËt ®iÒu chÕ m¹nh ®Ó chèng l¹i hiÖu øng nµy. OFDM cho phÐp lo¹i bá hoµn toµn hiÖu øng ®a ®­êng miÔn lµ ®é d¹i cña kho¶ng b¶o vÖ GI ®­îc thiÕt kÕ mét c¸ch hîp lý.3. m¹ng lan kh«ng d©y (wireless lan). Đặc tÝnh cña Wireless LAN lµ tèc ®é cao, tÝnh di ®éng thÊp, ®é tr¶i trÔ truyÒn dÉn thÊp vµ th­êng ®­îc sö dông ë m«i tr­êng trong nhµ. Do ®ã Wireless LAN chän ph­¬ng thøc ®iÒu chÕ OFDM:OFDM gi¶i quyÕt ®­îc khã khăn cña Wireless LAN lµ bÞ ph¶n x¹ ®a ®­êng lín do c¸c vËt thÓ ë trong nhµ g©y nªn. MÆc dï ®é tr¶i trÔ do ph¶n x¹ ®a ®­êng lµ nhá nh­ng do truyÒn dÉn tèc ®é cao, chu kú symbol nhá nªn ¶nh h­ëng cña trÔ ®a ®­êng tíi hÖ thèng Wireless LAN lµ rÊt lín.T­¬ng ®èi hiÖu qu¶ trong viÖc sö dông băng th«ng.ThÝch hîp víi tèc ®é truyÒn thay ®æi.Chèng nhiÔu băng hÑp tèt. NhiÔu băng hÑp g©y ra do nhiÒu ng­êi sö dông vµ do c¸c thiÕt bÞ kh¸c g©y ra.HiÖu qu¶ tÝnh to¸n cao: sö dông biÕn ®æi Fourier nhanh FFT cho phÐp gi¶m ®é phøc t¹p xuèng.®ång bé tèt: m¸y thu OFDM Ýt chÞu ¶nh h­ëng cña jitter thêi gian h¬n so víi dïng kü thuËt tr¶i phæ.3. ®­êng d©y thuª bao sè bÊt ®èi xøng. Đường truyÒn thuª bao sè bÊt ®èi xøng ADSL lµ c«ng nghÖ ®­îc øng dông vµ ph¸t triÓn nhiÒu vì nã t­¬ng thÝch víi c¸c hÖ thèng hiÖn t¹i vµ phï hîp víi nhu cÇu cña ng­êi dïng. ADSL truyÒn t¶i c¶ th«ng tin sè vµ t­¬ng tù trªn mét ®«i d©y ®ång. Kªnh truyÒn dÉn ADSL cã thÓ chia thµnh nhiÒu kªnh sè liÖu tèc ®é cao vµ cïng lóc phôc vô cho c¶ tÝn hiÖu tho¹i. Dữ liÖu sau khi ®­îc ®ãng khung ®­îc ®­a vµo m· hãa ®Ó ph¸t hiÖn vµ söa lçi ë phÝa thu. ADSL còng sö dông chuçi m· hãa gåm m· khèi, m· vßng xo¾n vµ cµi xen. TiÕp ®ã tÝn hiÖu sÏ ®­îc kÕt hîp víi pilot råi qua bé biÕn ®æi dữ liÖu nèi tiÕp thµnh những dßng sè song song cã tèc ®é thÊp h¬n. C¸c dßng sè song song nµy sÏ ®­îc ®iÒu chÕ QAM vµ thùc hiÖn thuËt to¸n IFFT ®Ó ®iÒu chÕ DMT. Sau ®ã tÝn hiÖu ®· ®­îc ®iÒu chÕ sÏ ®­îc biÕn ®æi thµnh nèi tiÕp vµ chÌn thªm kho¶ng b¶o vÖ CP ®Ó chèng ISI, ®ång bé khung. Cuèi cïng tÝn hiÖu sè ®­îc qua bé DAC biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu t­¬ng tù ®Ó truyÒn ®i.