Kỹ thuật OFDM (Tập 2): Phần 1

Tài liệu Kỹ thuật OFDM (Tập 2) phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Giới thiệu lịch sử sự ra đời của kỹ thuật OFDM; Lý thuyết về sự điều chế về đơn sóng mang và đa sóng mang, đặc biệt là điều chế đa sóng mang trực giao OFDM; Lý thuyết điều chế OFDM;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

TRƯÒNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG NGUYỄN VĂN ĐÚC BỘ SÁCH KỸ THUẬT THỊNG TIN số TẬP LÝ THUYẾT VÀ CÁC ÚNG DỤNG CỦA OMB NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Bộ sách Kỹ thuật thông tin số Tập Digital Communication Technique Band Bộ sách Kỹ thuật thông tin số Tập Digital Communication Technique Band Digital Communication Technique Band Theory and Applications of the OFDM Technique SCIENCE AND TECHNICS PUBLISHING HOUSE HANOI Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 50 NĂM XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỀN Nguyễn Văn Đức Bộ SÁCH KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ TẬP LÝ THUYẾT VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT OFDM Ti-'W; TÀM THƯ VIỄN NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI • ■ • h ù: HV UH ĩ ’• LỜI GIỚI THIỆU Cơng nghệ OFDM tìm ứng dụng rộng rãi tiêu chuẩn viễn thông hệ thống truyền hình số DVB-T, phát số DAB, hay mạng truy nhập internet băng rộng ADSL, v.v.v Trong tương lai cơng nghệ cịn ứng dụng hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a xây dựng hệ thống di động toàn cầu hệ thứ nhiều hệ thống viễn thông khác Để tiếp cận triển khai ứng dụng công nghệ việc thực tiêu chuẩn viễn thông khác giới, tác giả xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc sách lý thuyết ứng dụng cùa công nghệ OFDM Cuốn sách bao gồm chương trình bày sau: Chương 1: Giói thiệu vắn tắt lịch sử đòi kỹ thuật OFDM Các ưu nhược điểm kỹ thuật đề cập Tóm tắt phạm vi ứng dụng kỹ thuật Việt Nam giới Chương 2: Trình bày lý thuyết điều chế đơn sóng mang đa sóng mang, đặc biệt nguyên tắc điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Chương 3: Trình bày lý thuyết điều chế OFDM Nguyên tắc chèn chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM để tránh nhiễu liên tín hiệu gây hiệu ứng phân tập đa đường thông tin vô tuyến Sự thực phát tín hiệu OFDM thơng qua phép biến đổi nhanh IFFT Chương 4: Trình bày lý thuyết giải điều chế OFDM, tách chuỗi bảo vệ ỏ' máy thu, hình thành nhiễu liên kênh tín hiệu phát qua kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian, cấu trúc thu OFDM số sử dụng phép biến đổi nhanh FFT Chương 5: Giới thiệu đặc tính cùa phổ tín hiệu OFDM, ảnh hường cùa tham số hệ thống đối vói hiệu suất phổ tín hiệu So sánh kết đo đạc phổ tín hiệu thực tế vói lý thuyết tác giả thực Trường Đại học Tổng họp Hannover, Cộng hòa Liên bang Đức Chương 6: Các phương pháp thông dụng để khôi phục kênh truyền cho hệ thống OFDM trình bày cách chi tiết Tác giả giới thiệu tóm tắt lý thuyết lọc tối ưu Wiener ứng dụng cùa lọc cho hệ thống OFDM Các 13 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÈ KỸ THUẬT ĐIỀU CHÉ OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Kỹ thuật điều che OFDM trường họp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ [Cha66] Trong thập kỷ vừa quạ, nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực ỏ' khắp nơi giới Đặc biệt công trình khoa học Weistein Ebert [Wei71], người chứng minh phép điều chế OFDM thực thông qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế OFDM thực phép biến đổi DFT Phát minh vói phát triển kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM ứng dụng ngày trờ nên rộng rãi Thay sử dụng IDFT DFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM Ngày kỹ thuật OFDM kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng thơng tin vơ tuyến Các hệ thống cịn gọi với khái niệm COFDM (Coded OFDM) Trong hệ thống tín hiệu trước điều chế OFDM mã kênh với loại mã khác với mục đích chống lại lỗi đường^truyền Do chất lượng kênh (độ fading tỷ lệ tín hiệu tạp âm) sóng mang phụ khác nhau, người ta thực điều chế tín hiệu sóng mang với căc mức điều chế khác Hệ thống mở khái niệm hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique) Kỹ thuật sử dụng hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 Châu Âu Trên giới hệ thống chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.1 la 14 1.2 Các ưu nhược điểm Bên cạnh ưu điểm kể kỹ thuật OFDM, hệ thống sử dụng kỹ thuật cịn có nhiều ưu điểm khác liệt kê sau đây: • Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (1ST) độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn trễ truyền dẫn lớn kênh • Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng phân tập tần số (frequency selectivity) chất lượng hệ thống đưọc giảm nhiều so vói hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang • Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản Kỹ thuật điều chế OFDM có vài nhược điểm là: • Đường bao biên độ tín hiệu phát không phẳng Điều gây méo phi tuyến khuếch đại cơng suất phía phát thu Cho đến nay, nhiều kỹ thuật khác đưa để khắc phục nhược điểm [Pau98] • Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu phân tập đa đường lại làm giảm phần hiệu suất đường truyền, thân chuỗi bảo vệ khơng mang tin có ích Do u cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng Ngày kỹ thuật OFDM tiêu chuẩn hóa phương pháp điều chế cho hệ thống phát số DAB DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính khơng dây vói tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2, V V V • 1.3 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam Có thể nói thuật ngữ mạng internet băng rộng ASDL quen thuộc Việt Nam, người biết nâng cao tốc độ đường truyền hệ thống ASDL nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang Khái niệrh chuỗi bảo vệ trình bày chương 15 cho phép chồng phổ sóng mang mà tốc độ truyền dẫn hệ thống ASDL tăng lên cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ASDL ứng dụng rộng rãi ỏ’ Việt Nam, hệ thống thông tin vơ tuyến mạng truyền hình mặt đất DVB-T khai thác sử dụng Các hệ thống phát số DAB DRM chắn khai thác sử dụng tương lai không xa Các mạng thơng tin máy tính khơng dây HiperLAN/2, IEEE 802.1 la, g khai thác cách rộng rãi ỏ’ Việt Nam Kỹ thuật OFDM tảng kỹ thuật truyền dẫn vơ thun, có ý nghĩa thực tế khơng giới mà nước 1.4 Các hướng phát triển tưong lai Kỹ thuật OFDM đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu chuẩn IEEE.802.lóa hệ thống thơng tin di động hệ thứ tư Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM cịn kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật đa anten phát thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết họp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT điều chế OFDM phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống hiệu ứng dịch tần đo đồng gây giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Tuy nhiên khả ứng dụng cùa công nghệ cần phải kiểm chứng cụ thể tương lai 21 Hình 2.3.2: a) phổ tín hiệu kênh con; b) phổ tín hiệu cùa hệ thống kênh Bài tập 2.1 Giả thiết hệ thống truyền hình số DVB-T có bề rộng băng tần B = 7.61 MHz thiết kế dựa hệ thống đơn sóng mang, tính bề rộng mau tín hiệu Bài tập 2.2 Tín hiệu thiết kế hệ thống tập 2.1 truyền kênh vơ tuyến mơi trường đồi núi có tụễ đường truyền rnlax = 224/ZS , tính ) Trong trường họp tỳ sơ trê đường trun so vói độ dài mâu tín hiệu (7?sc = rsc nhiễu ISI ảnh hưởng đến mẫu tín hiệu? Bài tập 2.3 Trong thực tế hệ thống DVB-T thiết kế dựa kỹ thuật đa sóng mang OFDM với số sóng mang 2048, tính lại tỷ số 7?MCnhư tập 2.2 Trong trường hợp nhiễu IS1 ảnh hưởng đen mẫu tín hiệu? 22 CHƯƠNG 3: LÝ THUYỀT VÈ ĐIỀU CHÉ OFDM 3.1 Khái niệm trực giao hai tín hiệu mặt tốn học xét tập tín hiệu ý với \Ị/p phần tử thứ p tập, điều kiện đế tín hiệu tập ìp trực giao đơi với p(ỉ}v'q(ị)đt = k, p = q 0, ptq PT(3.1.1) ự/*(í) liên hợp phức cùa V (ị) Khoảng thời gian tù' a đến b chu kỳ tín hiệu, cịn k hang số 3.2 Bộ điều chế OFDM Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm hiệu suất sử dụng phổ toàn băng tần tăng lên cách đáng kể Sự trực giao sóng mang phụ đưọc thực sau: phơ tín hiệu sóng mang phụ thứp dịch vào kênh thứ thông qua phép nhân với hàm phức eJp,ứst , (O s = 17ĩfs - 27Ĩ Ư khoảng cách tần số hai sóng mang Thơng qua phép nhân với số phức mà sóng mang phụ trực giao với Tính trực giao hai sóng mang phụ p q kiểm chứng sau: (i+ọr I e^'(e^clt= (A+nr, |e Hp-q)‘' Phép nhân làm tín hiệu song mang phụ trực giao với chứng minh Tín hiệu sau nhân với xung sở dịch tần cộng lại qua tổng cuối biểu diễn sau: ™;(í)= ZA./FPT n=-L Tín hiệu gọi mẫu tín hiệu OFDM thứ k Sự biểu diễn tín hiệu OFDM tổng quát là: '»(')= ấ «'t^ PT(3.3.1) Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao sóng mang phụ, đon giản hóa cấu trúc đánh giá kênh truyền, cân bang tín hiệu phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích nên phơ tín hiệu hệ thống bị giảm hệ số [Kam96] ĩ] = T\ n.1 + Tg G PT(3.3.2) 26 kT k(T+l) Hình 3.3.2: Mơ tà ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiễu ISI 3.4 Phép nhân vói xung CO' (basic impulse) Trong hệ thống truyền dẫn vơ tuyến nào, tín hiệu trước truyền đổu nhân với xung bàn Mục đích phép nhân giói hạn phổ tín hiệu phát cho phù hợp vói bề rộng cho phép kênh truyền Trong trường hợp bề rộng phổ tín hiệu phát lớn bề rộng kênh truyền cho phép tín hiệu phát gây nhiễu xuyên kênh hệ thống khác Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước phát nhân với xung s'(t) Xung có bề rộng bàng bề rộng mẫu tín hiệu OFDM Sau chèn chuồi bảo vệ xung ký hiệu s(t)có độ rộng Ts + Tc Dạng xung bàn đơn giản xung vuông mô tả hình 3.4.1 27 s(/) = F° TG Tniax, TG độ dài chuỗi bảo vệ rniax độ dài lớn trễ truyền dẫn, ta dễ dàng nhận thấy rằng: IX Q Tc kênh truyền không phụ thuộc thời gian Tính cơng suất nhiễu hệ thống trường hợp Bài tập 4.3: Các giả thiết cho tương tự tập 4.5 nhiên kênh truyền dẫn lại phụ thuộc vào thời gian với tan so Doppler lớn fD Hãy biểu diễn lại tín hiệu thu sau giải điều chế OFDM tính cơng suất nhiễu liên kênh ICI nhiễu liên mẫu tín hiệu ISI trường hợp ... IEEE.802 .1 la 14 1. 2 Các ưu nhược điểm Bên cạnh ưu điểm kể kỹ thuật OFDM, hệ thống sử dụng kỹ thuật có nhiều ưu điểm khác liệt kê sau đây: • Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (1ST)... IEEE 802 .1 la, g khai thác cách rộng rãi ỏ’ Việt Nam Kỹ thuật OFDM tảng kỹ thuật truyền dẫn vô thuyên, có ý nghĩa thực tế khơng giới mà nước 1. 4 Các hướng phát triển tưong lai Kỹ thuật OFDM đề... thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 19 66 Mỹ [Cha66] Trong thập kỷ vừa quạ, nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật