Đồ án Kỹ thuật điều chế OFDM

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG Nguyên lý & ứng dụng của OFDM Mở đầu T rong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM,... OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này 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 dữ liệu 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 ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. 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. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đưa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. Ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM như truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đường dây tải điện PLC. Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề: - Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số. - Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM. - Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM. - Các ứng dụng của OFDM trong hệ thống thông tin. Mục lục Nội dung Trang Chương 1 Giới thiệu về truyền dẫn số Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội. Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động của con người. Sở dĩ kỹ thuật số làm được điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lưu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. Ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu được truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đường truyền. 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và được biểu diễn dưới dạng 0v và 5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đường truyền Line Code với mục đích: Đưa vào độ dư bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữa các bit “0” và các bit “1” trong một từ mã. Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi được. Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng băng tần. Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đường truyền có băng tần hạn chế. Bảo mật tin tức cho thông tin trên đường truyền. Không liên quan đến chất lượng truyền dẫn, nhưng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đường truyền. Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích như tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành phần tần số cao và thấp trước khi lọc. 1.1.2 Mã đường dây Line Code Các số nhị phân “0” và “1” truyền dẫn trên đường truyền dưới dạng tín hiệu xung nối tiếp được gọi là mã đường dây. Các loại mã đường dây có các đặc điểm sau: - Chuyển mức về không ở giữa bit: + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero). + Có chuyển mức RZ (Return to Zero). - Cực tính: + Đơn cực UniPolar. + Phân cực BiPolar. Hình 11 Các mã đường dây cơ bản Do đó, ta có các loại tín hiệu trên đường truyền với dạng tín hiệu và phổ của chúng như Hình 1-1. Nhận xét: - Để truyền đi xa cần công suất lớn. - Để tách được tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R. - Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth). Dựa vào các đặc điểm trên người ta tạo ra các loại mã đường truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trường truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang). Dưới đây là các loại mã đường dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của ITU: Tốc độ (Mbps) Mã đường dây 2.048 8.448 34.368 139.264 564.992 HDB3 HDB3 HDB3 CMI CMI 1.544 6.312 32.064 44.736 AMI, B8ZS B6ZS, B8ZS AMI (Scrambled) B3ZS Bảng 1-1 Tốc độ các loại mã đường dây theo tiêu chuẩn của ITU 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa của tín hiệu được ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là +V (ký hiệu là “+”), -V (ký hiệu là “-”) và mức điện áp 0 tương ứng với mức đất của hệ thống. Người ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI. Đây là một mã lưỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy mã thu được bằng cách: bit 0 tương ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tương ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng. Hình 12 Dạng tín hiệu AMI Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung dương luân phiên nhau, do đó nếu có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trường hợp đó sẽ xuất hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lưỡng cực và hệ thống có thể dễ dàng phát hiện ra lỗi đó. Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có thể gây mất đồng bộ. Để khắc phục người ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trước khi truyền. Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit được thực hiện bằng cách cộng modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence). Phía thu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng modul-2 chuỗi bit thu được với chuỗi PRBS một cách đồng bộ. 1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) Mã CMI cũng tương tự như mã AMI Non return zero. Nhưng để tránh mất đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành 2 mức điện áp - và + tương ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb. Hình 13 Dạng tín hiệu CMI Như vậy, có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t’CLK = 2tCLK được mã hóa như sau: bit 0 tương ứng với 01 còn bit 1 tương ứng với bit 00 và 11 luân phiên nhau. 1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) Mã HDB3 tương tự như mã AMI Return Zero. Nhưng để tránh mất đồng bộ do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lưỡng cực sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lưỡng cực. Như vậy trong dòng mã HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0. Hình 14 Dạng tín hiệu HDB3 1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) Tương tự như HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nhưng cách thay thế các bit 0 của BnZS khác với HDB3: BnZS Binary Substitution B2ZS B3ZS B4ZS B6ZS B8ZS 00 000 0000 000000 00000000 0V 0VB 0V0B 0VB0VB 000VB0VB Bảng 1-2 Quy luật thay thế của mã đường dây BnZS Truyền dẫn BroadBand Nếu như kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp với kênh truyền này tín hiệu số phải được điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp để cho phép truyền được qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín hiệu được truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần số sóng mang như trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang như trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng được hiểu là các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương thức này tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp. Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ được sử dụng trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đường bao được sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) 1.2.1 Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang vc(t) theo tín hiệu số vd(t). (1.1) Nếu: (1.2) (1.3) Thì: (1.4) Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 như sau: Hình 15 Tín hiệu ASK Theo biến đổi Fourier ta có: Mặt khác: ta có (1.5) Do đó: (1.6) Như vậy, phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang wc, thành phần mang tin tức wc ± w0 và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7 ... Hình 16 Phổ của tín hiệu ASK ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2k . Khi đó mỗi trạng thái của tín hiệu được gọi là 1 baud. ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế không kết hợp (tách sóng đường bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc độ nhỏ. 1.2.2 Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần số FSK được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa và điều chế. Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau: (1.7) (1.8) Tín hiệu điều chế có dạng (1.9) Do đó tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau: (1.10) Hình 17 Dạng tín hiệu FSK Như vậy: (1.11) Ở trên ta đã có: Do đó: Tương tự trên, cuối cùng ta được: (1.12) Như vậy, dạng phổ của tín hiệu FSK giống như dạng phổ của tín hiệu ASK nhưng với hai thành phần sóng mang có tần số f1 và f2, và khoảng cách giữa chúng là fs. Hình 18 Phổ của tín hiệu FSK FSK có thể được điều chế 2 hay M mức. Phương pháp khóa dịch tần số FSK được dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các chuẩn V21, V22, V24. 1.2.3 Phase Shift Keying Phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng mang để điều chế tin tức. Xét trường hợp đơn giản với PSK hai trạng thái. (1.13) Như vậy, nếu biểu diễn tín hiệu số vd(t) dưới dạng lưỡng cực ta có biểu thức: Hình 19 Tín hiệu PSK Biến đổi Fourier của tín hiệu số lưỡng cực có dạng sau: (1.14) Do đó: Mặt khác, ta có: (1.15) Suy ra: (1.16) Như vậy, phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các hài bậc 3, 5, 7, ... mà không có thành phần sóng mang. Dưới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK: Hình 110 Phổ của tín hiệu PSK PSK được sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu tốc độ cao, người ta thường dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK (QPSK) và 8-PSK tương ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit được sắp xếp theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit. 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation Phương pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể coi là kết hợp của hai phương pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phương pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn. Người ta thường dùng 16-QAM và 64-QAM tương ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit được sắp xếp theo mã Gray tức là hai tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác suất lỗi ở phía thu. Hình 111 QAM - 16 mức Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng kênh thông tin, nhưng không làm tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao. Giới thiệu về OFDM Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) đã được sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm, ví dụ như điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu. Để phía thu có thể tách được các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ của các sóng mang. Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băng thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp. Điều chế đa sóng mang tương tự như FDM, song thay vì truyền các bản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ được điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tin tốc độ cao. Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó được chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang. Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử dung cùng một kênh như sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin được truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con. Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trước khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp. Hình 112 Hệ thống OFDM ban đầu Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được. Phương pháp điều chế OFDM này được đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-Tone). Phổ của tín hiệu DMT trên đường truyền giống hệt phổ của N tín hiệu điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu như đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng mang được điều chế QAM với một số phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f như của hệ thống OFDM ban đầu. Hình 113 Hệ thống OFDM sử dụng FFT Hình 114 Chồng phổ trong OFDM Tuy nhiên, biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện cho mỗi khối, chúng tương đương với N số phức. Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog2N phép nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thường. Hiệu quả của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng mang tương đương có sử dụng bộ cân bằng. Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã được nghiên cứu đưa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã được chế tạo. Nhưng chúng không thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm chúng chưa được tiêu chuẩn hóa. DMT đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bưu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thường. Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi mà OFDM thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình. Đó là tính chống lại ảnh hưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha đinh lựa chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phương pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao. Hình 115 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. Ở phía thu tín hiệu nhận được từ nhiều trạm phát tương đương với nhiễu do phản xạ nhiều đường và không gây ảnh hưởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ nhưng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với chu kỳ symbol. Trong trường hợp này, kỹ thuật điều chế đa song mang OFDM sẽ còn được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ứng dụng khác.Hy vọng trong thời gian tiếp theo đa sóng mang OFDM được sử dụng. Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đã được biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin được truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM được xếp vào phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số. Tất cả các trạm phát đồng thời nhưng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau. Dải thông các tín hiệu này được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt được tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mang khác. Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có một khoảng tần số không được sử dụng để truyền tin tức. Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế để nhận được tin tức cần thu. Như vậy có thể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số. Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên một số Nn sóng mang con (Nn có thể điều chỉnh được tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang sử dụng trong FDM. Nn sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến. Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm. Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần. Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau nên các sóng mang có thể được điều chế theo cả 2 phương thức: tương tự và số. Trong OFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phương thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một nhóm các bit được truyền một cách song song. Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dưới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn được đảm bảo. 2.1 Trực giao trong OFDM Tín hiệu được gọi là trực giao với 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. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao. Kỹ thuật phân TDM truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian. Trong suốt thời gian truyền một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất được truyền. Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đã tránh được nhiễu giữa chúng. Các bản tin có thể được xem như là đã trực giao với nhau về mặt thời gian. Kỹ thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu. 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 symbol. Như vậy, trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Như vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau. Hình sau sẽ cho thấy cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con. Hình 21 Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần, với số chu kỳ tương ứng là 1, 2, 3, và 4. Pha ban đầu các sóng mang con này đều bằng 0. Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tương ứng là FFT của các sóng mang con trong miền thời gian. Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóng mang con và kết quả FFT của nó. Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao với nhau nếu chúng thoả mãn : (2.1) Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2 sóng mang con khác nhau thì bằng 0. Điều này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng : (2.2) Trong đó: f0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con. N số sóng mang con trong một symbol. T thời gian tồn tại của symbol. Nf0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol. Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi được điều chế sẽ giống như hình sau. Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được điều chế thì dạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm. Hình 22 Phổ của họ sóng mang trực giao Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâm của sóng mang con khác thì bằng 0. Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi được biểu diễn bởi một dạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang. Sóng mang này thường có dạng hình sin. Sau khi được điều chế tin tức, trong sóng mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số trung tâm của sóng mang và các hài. Mức tương đối của một tần số khi so sánh với một tần số khác được cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện. Phổ này có được bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian. Về mặt lý thuyết, để đạt được giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (-¥ ¸ ¥), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm. Không một hệ thống kỹ thuật nào có thể làm được điều này. Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạng sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức. Phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete Fourier Transform). Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó được gọi là phép biến đổi Fourier ngược. Như đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang con dạng hình sin trong miền thời gian. Trong miền tần số các sóng mang con này có dạng sinc (sin cardinal), hay sin(x)/x. Dạng sinc có một búp chính và các búp phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang con. Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f0). Tính trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm t