Tải bản đầy đủ
Chương 3 Tổng quan về OFDM

Chương 3 Tổng quan về OFDM

Tải bản đầy đủ

Chương 3 Tổng quan OFDM

Chương 3

Tổng quan về OFDM

Có thể nói rằng, trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được chuẩn hoá cho
truyền thông tốc độ cao và đang trở nên ngày càng phổ biến. Để thuận lợi cho việc
tìm hiểu ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2, trước tiên cần hiểu rõ kỹ thuật
ghép kênh OFDM là gì và hoạt động như thế nào. Chương này sẽ trình bày về
những khái niệm, nguyên lý cơ bản của hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân
chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao, biểu diễn
toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Phần cuối chương sẽ
đánh giá ưu nhược điểm và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM.
3.1

Sơ lược về OFDM
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong

thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này
thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên
được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín
hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên,
cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc
trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi
thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên
một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được
thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
3.2

Các khái niệm liên quan đến OFDM

3.2.1 Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên
nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
34

Chương 3 Tổng quan OFDM

một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với
nhau theo kiểu FDM.

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang.
3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin
trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi
kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép
kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong
không gian, thời gian.

Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số.
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân
cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen
giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.

35

Chương 3 Tổng quan OFDM

3.3

Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật

ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một
luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời
trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho
các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ
trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như
hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để
tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc
biệt của phương thức phát đa sóng mang FDM.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng
mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
trong OFDM. Trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ
thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo
tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Phương pháp này cho phép sử
dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa
ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.

36

Chương 3 Tổng quan OFDM

Hình 3.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và
kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).
3.4

So sánh FDM và OFDM
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong công nghệ FDM truyền thống,

các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó
không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa
được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, tất cả các sóng mang thứ
cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm
soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp nhau
trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản
chất trực giao của điều chế. Trong OFDM, sự đóng gói trực giao các sóng mang làm
giảm đáng kể khoảng bảo vệ, cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau chồng lấn
một phần lên nhau, nhờ đó cải thiện hiệu quả phổ. Sự chồng lấn này được phép nếu
khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang

37

Chương 3 Tổng quan OFDM

này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau
để các tín hiệu được khôi phục chính xác.

Hình 3.4: Phổ OFDM và FDM
3.5

Sơ đồ hệ thống OFDM

Dữ liệu vào

Sắp xếp
và mã
hóa

S/P

Chèn
pilot

IDFT

Chèn dải
bảo vệ

AWGN

Dữ liệu ra

Giải mã
và sắp
xếp lại

P/S

Ước
lượng
kênh

DFT

P/S

+

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

Kênh

S/P

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao sau mã hóa được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P:
Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được ánh xạ vào biên độ và
pha của các tải phụ. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT
(biến đổi nhanh Fourier đảo). Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng
38

Chương 3 Tổng quan OFDM

với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để
giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau
cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số
cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn
nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN.
Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được
tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời
gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào
sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang
nhánh sẽ được cân bằng tại bộ ước lượng kênh. Các symbol hỗn hợp thu được sẽ
được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được
dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
3.5.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai
đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu
vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân phối cho
mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang. Có thể
nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ.
Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ
được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc
tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi
bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo
trộn dữ liệu (scrambler) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song
song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu.
3.5.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM
 Mã hóa kênh
39

Chương 3 Tổng quan OFDM

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC
(Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể
là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênh
truyền bị tác động của AWGN.
Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính: mã khối (block coding) và mã
chập (convolutional coding). Ngoài ra, người ta còn dùng mã hóa Trellis, đây là
kiểu mã hóa xem như gần giống với mã hóa chập.
Với mã hóa khối: Luồng bit vào được chia thành những nhóm có k bit, mỗi
nhóm được thêm vào những bit kiểm tra để tạo thành nhóm mới có n bit (n>k). Số
bit kiểm tra thêm vào đây là (n-k) bit. Ví dụ: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã
Reed Solomon.
Với mã chập: Đặc trưng bởi 3 thông số là (n, k, m), trong đó: n là số bit ra, k là
số bit vào, m là số bit trước đó. Vậy n bit của từ mã ra không chỉ phụ thuộc vào k
bit vào mà còn phụ thuộc vào (m-1)k bit thông tin trước đó (được gọi là các bit
trạng thái). n bit ngõ ra được tạo ra bằng cách chập k bit ngõ vào với một đáp ứng
xung nhị phân. Mã chập được xây dựng bởi mạch dãy. Tỷ số R=k/n được gọi là tỷ
số mã, tổng số ô ghi dịch là (k.m) ô.
Với mã Trellis: là một dạng của mã chập nhưng có thêm phần mã hóa. Sử dụng
mã hóa Trellis sẽ cho hiệu quả tốt nhất ở phần sắp xếp (mapping) khi ta sử dụng mã
hóa M-QAM với M khác nhau trên các sóng mang nhánh khác nhau. Bên thu có thể
sử dụng thuật toán Viterbi. Viterbi là giải thuật giải mã hoá.
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ
thuật xen kẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm
(burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading
lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ
vào kỹ thuật xen kẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu
nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh.
 Ánh xạ (mapping)

40

Chương 3 Tổng quan OFDM

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế
BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM hay 256-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được
sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6, 8) bit khác nhau tương ứng với các
phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM. Hay nói cách
khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.
Chẳng hạn: khi sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào
được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc
trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB
(b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của
Q.
b0 b1 b2
000
001
011
010
110
111
101
100

I
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

b3 b4 b5
000
001
011
010
110
111
101
100

Q
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

3.5.3 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM
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. Để làm được điều này,
mỗi kênh sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều
chế của riêng nó. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không
hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối
thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ dao
động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một
thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số
phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ
bằng cách tính tại chỗ.
41

Chương 3 Tổng quan OFDM

Quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là: ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là
fk = f0 + k∆f

(3.1)

giả sử f0 = 0, suy ra:
fk = n∆f

(3.2)

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:
N 1

x(t )   X (k )e j 2  ( f0 kf ) t
k 0

,

0  t  Ts

(3.3)

N 1

e j 2  f 0 t  X (k )e j 2 kft
k 0

=
trong đó:

N 1

xa (t )   X (k )e j 2 kft
k 0

là tín hiệu băng gốc.

Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ
tín hiệu, phương trình (2.17) được viết lại như sau :
N 1

xa (n)  xa ( Nn Ts )   X (k )e j 2nkfTs / N
k 0

(3.4)

Nếu thỏa mãn điều kiện ∆𝑓𝑇 = 1, thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc
này, phương trình (2.18) được viết lại :
N 1

xa (n)   X (k )e j 2nk / N  N .IDFT {X(k)}
k 0

3.5)

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng
có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy:

42

Chương 3 Tổng quan OFDM

N 1

X (k )  DFT {x a (n)}   xa (n)e  j 2nk / N 
*

n 0



N 1

1
N

N 1

 X (m) e j 2n(mk ) / N 
m 0

n 0

N 1 N 1

1
N

 X (m)e

j 2n ( m k ) / N

n 0 m 0

N 1

1
N

 X (m) N (m  k )
m 0

N 1

=

 X (m) (m  k )

m 0

= X (k )

(3.6)

Ở đây, hàm  (m  k ) là hàm delta, được định nghĩa là :
1 khi n  0
0 khi n  0

 ( n)  

(3.7)

Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM
khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền
phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT.
3.6

Sự trực giao (Orthogonal)
Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu khác.

Xét tập hợp N sóng mang con fn(t), trong đó n = 0,1,…,N-1. t1≤ t ≤ t2. Tập hợp
sóng mang này sẽ trực giao khi :
t2


t1

 0; n  m
f n (t ) f m* (t )  
K ; n  m

(3.8)

K: hằng số;
Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng
mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại
bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy
như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.
Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các
tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị
chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang. Tuy nhiên, có thể
43

Chương 3 Tổng quan OFDM

sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên
nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa
các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt
toán học. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin
một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợp
của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số
nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Hình 3.7 là
trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ. Máy thu hoạt động gồm các
bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy
tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang
đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này thì trong một chu kỳ , kết quả
tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến
tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/. Bất kỳ sự
phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính
trực giao.

Hình 3.6: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp ứng tần số sinc
(sinx/x). Biên độ hàm sinc có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ giảm
dần khi càng xa tần số trung tâm. Mỗi sóng mang của tín hiệu có biên độ đỉnh tai
tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng mang khác.
44