Giới thiệu về kĩ thuật điều chế OFDM trong Viễn Thông

Trước hết xem qua về kĩ thuật  đơn sóng mang

Kỹ thuật đơn sóng mang

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có

khả năng chống lại pha đinh và nhiễu, song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được

chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ

là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian

thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ

· Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.

· Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất

lớn.

Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền

lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao. Ở các phương pháp điều chế

truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký

hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh

sẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu. Đây là một nhược điểm chính

khiến các hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữ

liệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệu

cao

Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa

đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục

những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.

   Lịch sử phát triển

OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản

của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký

tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu

quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ

thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân

cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể

thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan

trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở

tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài . Ví dụ, nếu muốn

truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit

phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ

giao thoa đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu

kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ

đơn giản hơn.

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ vừa

qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế

giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép

điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải

điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu những năm

80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en

Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề

xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó

là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự

phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng

trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi

nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong

thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded

OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã

kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất

lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế

khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật

OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật

này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở

Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.

Các ưu và nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật

này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác liệt kê sau đây:

* Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol

Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ

truyền dẫn lớn nhất của kênh.

* Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ

truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity)

đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn

sóng mang.

* Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:

* Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với

công suất trung bình. Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn

ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi

trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất

cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại công suất

của bộ phát. Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn. Méo

dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ thống khi

truyền trên các tần số RF kề nhau.

* Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi

một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin

có ích.

* Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất

nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và

dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.

- Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng tốt

các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol. Với một kênh

truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet có thể bằng khoảng bảovệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con

mà thôi. Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng bảo vệ thì hoạt động của hệ thống

suy giảm nhanh chóng. Nguyên nhân là do các symbol trước khi đến bộ FFT sẽ

bao gồm một phần nội dung của các symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol

Interference).

- Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của

OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số. Giải điều chế tín hiệu OFDM

có thể gây ra sai về tốc độ bit. Điều này làm cho tính trực giao giữa các

subcarrier bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha không sửa chữa được ở bộ

thu).

Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo 2 nguồn chính: lỗi của bộ dao động và hiệu ứng

Doppler. Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây ra offset

về tần số. Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc

phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng.

Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler của tín

hiệu. Điều này có thể hiểu là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó có thể

khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động. Một vần đề quan trọng của hiệu ứng

Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi

trường đa đường. Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối giữa các thành phần tín

hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình "điều chế tần số" cho tín hiệu. Quá trình này diễn ra

ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường bình thường, một lượng lớn phản

xạ đa đường xảy ra. Trải Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu.

Ngày nay OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống

phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính không dây

tốc độ cao HiperLAN/2...

Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) rất

quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền

trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng

mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ

thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet

thông thường.

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ở Việt

Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVBT

cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM

chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một

cách rộng rãi ở Việt Nam.

Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng

thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống thông

tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật

OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu

(MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công

nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu

với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi

Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất

đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy

nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn

nữa trong tương lai.

Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM

1957: Kineplex, multi-carrier HF modem

1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM

1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting

1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên

1997: Chuẩn ETSI DVB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN

1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN

2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM)

2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16

2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN

2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)

2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN

(WiMAX)

Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)

So sánh một số kĩ thuật OFDM

Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA ở hình dưới đây

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá.
Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng.

OFDMA là  kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM ,một dạng cải tiến của OFDM

Sự khác nhau giữa OFDMA và SOFDMA:
Thật ra thì SOFDMA cũng là OFDMA chỉ khác nhau đó là trong SOFDMA thì kích thướng FFT có thể thay đổi tuỳ theo độ rộng băng tần nhưng khoảng cách giữa các sóng mang con là không đổi 10.94KHz. Còn trong OFDMA có kích thước FFT cố định là 2048.
Như vậy trong SOFDMA, độ rộng phổ của các băng con là như nhau trong các hệ thống khác nhau, giúp quá trình chuyển giao thuận lợi hơn. Ngoài ra việc tương thích giữa các hệ thống sẽ làm giảm chi phí thiết kế, xây dựng mạng.