OFDM là gì? Phân biệt OFDMA và OFDM, những điểm khác biệt cần lưu ý

OFDM là một kỹ thuật truyền tải tín hiệu số trong các hệ thống viễn thông. Kỹ thuật này sử dụng nhiều tín hiệu nhỏ hơn để truyền tải dữ liệu trên nhiều kênh tần số khác nhau cùng một lúc, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và khả năng chống nhiễu của hệ thống. Trong bài viết này, các bạn cùng MC&TT sẽ tìm hiểu sâu hơn về OFDM và ứng dụng của nó trong các hệ thống truyền thông.

1. OFDM là gì?

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trong những kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin hữu tuyến, như trong hệ thống ADSL, để truyền tải tín hiệu thông tin một cách hiệu quả. OFDM được xem là một giải pháp ưu việt cho việc phát triển các hệ thống băng thông rộng từ truyền hình số đến mạng WLAN, WMAN và các ứng dụng khác.

OFDM có nguồn gốc từ những năm 60, nhưng do các trở ngại của tiến bộ khoa học thời bấy giờ mà không được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của ngành xử lý tín hiệu số và vi điện tử, các hạn chế trước đây của OFDM đã được khắc phục và nó được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

OFDM là một kỹ thuật phức tạp, bao gồm nhiều khâu khác nhau. Tuy nhiên, nó cho phép sử dụng băng thông sẵn có một cách hiệu quả hơn so với FDM. Trong FDM, thông tin được truyền trên những dải tần số khác nhau, tuy nhiên, các dải tần này phải được mở rộng hơn ra để khắc phục hiện tượng nhiễu giữa các dải, gây ra sự lãng phí tài nguyên tần số.

Sự phân chia vùng tín hiệu trên OFDM

Trong khi đó, với OFDM, các tín hiệu được chia thành nhiều tín hiệu nhỏ hơn và được truyền trên các tần số khác nhau sao cho các tín hiệu này đồng trục với nhau, giúp giảm thiểu nhiễu và tối ưu hóa sử dụng tài nguyên tần số. Vì vậy, OFDM là kỹ thuật điều chế tần số được ưa chuộng nhất trong các hệ thống truyền thông hiện nay.

2. Lịch sử phát triển của OFDM 

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phương pháp truyền tải phức tạp trong kênh vật lý, sử dụng kỹ thuật đa tần số để truyền tải một lượng lớn ký tự cùng một lúc. 

OFDM có nhiều ưu điểm, như hiệu quả phổ cao, khả năng chống nhiễu đa đường truyền tốt (đặc biệt là trong các hệ thống không dây) và dễ dàng lọc nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số kế cận sẽ được bỏ qua và không sử dụng).

Ngoài ra, tốc độ truyền tải Uplink và Downlink có thể dễ dàng thay đổi bằng cách thay đổi số lượng phân cực được sử dụng. Một ưu điểm quan trọng khác của việc sử dụng hệ thống đa tần số là mỗi phân cực có thể hoạt động ở tốc độ bit chậm hơn, dẫn đến chu kỳ bit dài hơn cho ký tự tương ứng.

OFDM được phát minh bởi R.W Chang tại Hoa Kỳ vào năm 1966. Trong những thập kỷ gần đây, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện trên toàn thế giới. Vào đầu những năm 1980, nhóm kỹ sư của Trung tâm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Telediffusion et Telecommunication) đã đề xuất một phương pháp điều chế số hiệu quả trong lĩnh vực phát sóng số, đó là OFDM.

Lịch sử phát triển của OFDM

Phát minh này, cùng với sự phát triển của công nghệ số, đã làm cho việc điều chế OFDM được sử dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT, người ta có thể sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bộ điều chế và bộ giải điều chế OFDM.

Ngày nay, OFDM được kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh được sử dụng trong truyền thông không dây. Những hệ thống này được gọi là COFDM (Coded OFDM). Trong những hệ thống này, tín hiệu được mã hóa kênh với các mã khác nhau để chống lại lỗi truyền thông trước khi được modul hóa OFDM. Do chất lượng kênh, mã hóa kênh là một kỹ thuật cần thiết trong truyền thông không dây.

3. OFDM khác gì với FDM?

Tần số chia (TDM) là một giải pháp được sử dụng trong các hệ thống số để tăng khả năng truyền dẫn. Tuy nhiên, trong truyền thông không dây, TDM có hai vấn đề cơ bản. Đầu tiên, vì đó là hệ thống số, một lượng lớn thông tin sẽ được sử dụng để điều khiển, gây lãng phí. Thứ hai, nó dễ gặp vấn đề với hiện tượng Multipath.

Để khắc phục các hạn chế này, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được sử dụng. OFDM giải quyết được tất cả các hạn chế của TDM và FDM. Nó cũng chia dải tần ra làm nhiều dải hẹp hơn, các dải này có thể chồng lên nhau, nhưng sóng mang của mỗi kênh vẫn cần vuông góc với nhau.

Sự khác biệt tần số giữa OFDM và FDM

Ý tưởng chính của kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. 

Với sự phát triển của OFDM, nó đã trở thành một công nghệ quan trọng trong truyền thông không dây và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông như WiFi, DVB-T, 4G, 5G và các chuẩn kết nối không dây khác.

4. OFDMA khác gì với OFDM?

Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một dạng cải tiến của kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) trong việc phân chia băng tần. OFDMA chia băng tần thành các băng con và mỗi băng con tương ứng với một sóng mang con. 

Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao sẽ không sử dụng toàn bộ mà chỉ sử dụng một phần của không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao khác nhau để sử dụng cùng một lúc. 

Do đó, mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp phát một hoặc vài sóng mang con, còn được gọi là kênh con hoá, để truyền dữ liệu. Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con, công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng, giúp tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm sự xung đột giữa các thuê bao. OFDMA thường được sử dụng trong các hệ thống mạng di động, Wifi và WiMAX.

Sự khác biệt về tần số giữa OFDMA với OFDM

5. Tìm hiểu ưu và nhược điểm của OFDM 

5.1. Ưu điểm của công nghệ OFDM

OFDM là một phương pháp truyền tải phức tạp trong kênh vật lý, sử dụng kỹ thuật đa tần số để truyền một lượng lớn ký tự cùng một lúc. Bên cạnh những ưu điểm đã nêu, hệ thống sử dụng OFDM còn có nhiều ưu điểm khác.

Đầu tiên, hệ thống này có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

Thứ hai, OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng vì ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

Cuối cùng, hệ thống OFDM có cấu trúc bộ thu đơn giản. Tuy nhiên, để giảm thiểu lỗi truyền tải, các hệ thống OFDM hiện nay thường được kết hợp với các kỹ thuật mã hóa kênh, tạo thành hệ thống COFDM. Kỹ thuật mã hóa kênh giúp giải quyết các lỗi truyền tải trong các hệ thống không dây.

5.2. Nhược điểm của công nghệ OFDM

Ngoài những ưu điểm của kỹ thuật OFDM, như đã đề cập ở trên, cũng có một số nhược điểm cơ bản. 

Một trong những vấn đề đó là OFDM có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình, dẫn đến việc điều chế tín hiệu OFDM cần sử dụng bộ khuyếch đại công suất để tăng công suất tín hiệu trước khi truyền đi. 

Tuy nhiên, việc tăng công suất này có thể gây ra méo dạng tín hiệu, làm giảm chất lượng đường truyền. Thêm vào đó, việc sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI cũng có thể làm giảm hiệu suất đường truyền. 

Ngoài ra, hệ thống OFDM còn rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, dịch tần và dịch thời gian, làm cho việc đồng bộ hệ thống trở nên khó khăn. Vì vậy, các nhà thiết kế hệ thống cần đảm bảo sự đồng bộ chính xác giữa bộ phát và bộ thu để đạt được hiệu suất truyền tốt nhất.

OFDM là một phương pháp điều chế tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Nó có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian nhờ khoảng bảo vệ giữa các symbol, tuy nhiên nếu sai lệch về thời gian lớn hơn khoảng bảo vệ, hệ thống sẽ suy giảm nhanh chóng. Trong khi đó, OFDM cũng dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số, gây mất tính trực giao giữa các subcarrier và làm suy giảm chất lượng tín hiệu.

Sự di chuyển giữa bộ thu và bộ phát gây ra sự dịch chuyển Doppler của tín hiệu, tạo ra sự offset tần số trong môi trường truyền tự do. Hiệu ứng Doppler còn khiến cho quá trình “điều chế tần số” tín hiệu diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier.

Tuy nhiên, OFDM vẫn là một phương pháp điều chế tín hiệu được tiêu chuẩn hóa trong nhiều hệ thống truyền thông, bao gồm 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… OFDM có khả năng chịu đựng tốt các nhiễu và tránh được sự trùng lặp tín hiệu, đảm bảo hiệu suất truyền thông cao và độ tin cậy tốt.

6. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là công nghệ quan trọng trong việc tăng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống ADSL, một mạng internet băng thông rộng rất phổ biến tại Việt Nam. Kỹ thuật này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang và sử dụng nhiều sóng mang đồng thời, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đáng kể.

Ngoài ra, OFDM cũng được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến khác như mạng truyền hình số mặt đất DVBT, hệ thống phát thanh số DAB và DRM.

Bên cạnh đó, 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 tại Việt Nam.

Với sự phát triển của công nghệ, chắc chắn các hệ thống truyền thông sử dụng OFDM sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

OFDM là công nghệ quan trọng trong việc tăng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống ADSL

7. Tương lai phát triển của công nghệ OFDM 

Kỹ thuật OFDM là một phương pháp điều chế được 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 kết hợp với kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) để tăng dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA để phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. 

Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm cách sử dụng phép biến đổi Wavelet thay thế phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM để cải thiện sự nhạy của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên, cần phải có nghiên cứu và kiểm chứng cụ thể hơn về khả năng ứng dụng của công nghệ này trong tương lai.

Tạm kết

Nhìn chung, OFDM là một kỹ thuật truyền tải tín hiệu số dùng để truyền thông tin qua sóng vô tuyến. Kỹ thuật này chia tín hiệu thành các tín hiệu nhỏ hơn và truyền trên các tần số khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu nhiễu sóng. OFDM đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây như Wifi, mạng di động và truyền hình kỹ thuật số. OFDM cũng có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như MIMO và CDMA để tăng cường hiệu suất truyền dẫn.