một số phương pháp giảm parr trong hệ thống ofdm

Tổng quan về kĩ thuật OFDM MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Hiện nay, kỷ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được dùng làm chuẩn trong các hệ thống phát thanh số ở Châu âu. Kỷ thuật này đang được đề nghị đưa vào ứng dụng ở Mỹ cũng như nghiên cứu để phát triển trong lĩnh vực truyền hình số.Trong chương này sẽ nêu ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của OFDM như: mô tả toán học, sự trực giao, và một số khái niệm khác trong OFDM. Bên cạnh đó các ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây. 1.2 Khái niệm OFDM OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kì kí tự. Vì vậy. phổ của sóng mang bằng “không” tại các tần số trung tâm của các tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. Page 1 Tổng quan về kĩ thuật OFDM Hình 1.1 Sóng mang OFDM( N=8 ) 1.3 Nguyên lý của OFDM 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 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 kì để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu sóng mang lân cận. Sự chồng chập này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Page 2 Tổng quan về kĩ thuật OFDM Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung Với cách truyền OFDM,những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ nhiều sóng mang. 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 can nhiễu giữ những sóng mang. 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. Page 3 Tổng quan về kĩ thuật OFDM 1.4 Hệ thống OFDM Hình 1.6 Hệ thống OFDM đơn giản. 1.4.1 Tại phía phát - Dữ liệu vào tốc độ cao 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 mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. - Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. - Sau đó. Khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên kí tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. - Sau cùng bộ lọc phía phát địng dạng tín hiệu thời gian liên tục để 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, 1.4.2 Tại 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. Page 4 Tổng quan về kĩ thuật OFDM - 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 cân bằng kênh (Chanel Equalization). -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. 1.5 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM 1.5.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền. Cấu trúc của các OFDM symbol: Xét OFDM symbol thứ m, cấu trúc của nó như sau : Page 5 Tổng quan về kĩ thuật OFDM Sau khi biến đổi ngược FFT (IFFT) và chèn cycle prefix (CP), tín hiệu cơ sở được truyền của symbol OFDM thứ m có thể được viết như sau: (1.1) Với : n { -, ,0,…N-1 } Sau khi loại bỏ CP, mẫu được nhận thứ n trong symbol OFDM thứ m có thể được biểu diễn (1.2) là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN). Ta có tín hiệu nhận được sau khi thực hiện FFT: (1.3) Ở đó : (1.4) (1.5) và (1.6) 1.5.2 Tính trực giao: Tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang thông tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Nếu mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ làm giảm rối loạn giữa chúng và làm giảm chất lượng thông tin. Page 6 Tổng quan về kĩ thuật OFDM OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế các tín hiệu vào một tập các sóng mang con trực giao. Mỗi sóng mang con có tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhâu nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau. Hình 1.3 Các sóng mang con trong miền thời gian Về mặt toán học, hai song mang con trong một nhóm được gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn: (1.8) Công thức trên có nghĩa là tích phân của bằng 0 khi hai sóng mang con khác nhau, và bằng một hằng số C khi hai sóng mang con giống nhau. Do đó 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 có dạng: với k = 1,2,3,…,N (1.9) Trong đó : là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con. N: số sóng mang trong một symbol. Page 7 Tổng quan về kĩ thuật OFDM T: thời gian tồn tại của một symbol. 1.5.2.1 Trực giao miền tần số Để khảo sát bản chất của OFDM, chúng ta khảo sát hệ thống với các băng thông của từng sóng mang con như hình 1.4. Phổ của các sóng mang con (subcarrier) có dạng này chồng lấp lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ.Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng thông truyền, Các dải con này trực giao nên một symbol OFDM có thể chứa rất nhều sóng mang con mà không cần phải có khoảng phân cách lớn.Nhờ vậy băng thông được tận dụng hiệu quả. Hình 1.4 Phổ của các sóng mang con trực giao trong miền tần số Page 8 Tổng quan về kĩ thuật OFDM 1.6 Khoảng bảo vệ GI (guard interval): Khoảng bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả hai phần. Điều quan trọng nhất là trong sử dụng thời khoảng bảo vệ là để làm giảm tới mức tối thiểu ISI trong kênh fading đa đường . Thông thường người ta thường dùng phần cuối của mỗi symbol để làm khoảng bảo vệ cho symbol đó, được gọi là CP (Cycle Prefix). Khi chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ làm cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp. Khi chèn khoảng bảo vệ thì thời gian một symbol OFDM sẽ tăng lên. THời gian symbol OFDM được diễn tả như sau: = T + Hình 1.5 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM Page 9 Tổng quan về kĩ thuật OFDM 1.7 Các ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM 1.7.1 Ưu điểm - Kĩ thuật OFDM có thể loại được nhiễu liên kí tự (ISI) bằng cách sử dụng chuỗi bảo vệ. Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn nhất của kênh truyền. - Kĩ thuật OFDM được ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải rộng vì kĩ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách chia dữ liệu thành các băng con chồng lên nhau. Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh hưởng của kênh truyền chọn lọc tần số. - Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT. - Khả năng kết hợp tốt các kĩ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như: hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM. 1.7.2 Nhược điểm - Do các subcarrier được điều biến biên độ bơi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số lượng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn so với trị trung bình (PAPR : Peak to Average Power Ratio). Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc đảm bảo tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC. - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng bảo vệ không mang thông tin có ích. - Hệ thống rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch pha do yêu cầu về sự trực giao của các sóng mang con. Page 10 [...]... tín hiệu OFDM, sự quan trọng trong việc đồng bộ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu Trong chương sau sẽ đi vào vấn đề chính của đề tài là các phương pháp giảm PAPR nhằm đạt tín hiệu tốt nhất Page 21 Tổng quan về kĩ thuật OFDM CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chương PAPR là một vấn đề nan giải ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống OFDM Trong những... dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI Nhưng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao là một trong những nhược điểm chính trong hệ thống OFDM PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết 3.3 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR Để giảm PAPR, có nhiều phương pháp được... Đồng bộ trong hệ thống OFDM Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sai lệch về tần số do ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi dịch chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số Trong bất kì hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ giữa máy phát và máy thu, nếu mất tính đồng bộ sẽ dẫn đến nhiễu ISI và ICI Các hệ thống Page 17 Tổng quan về kĩ thuật OFDM sử dụng OFDM dễ... phương pháp nào thật sự phù hợp để áp dụng vào thực tế Do đó vấn đề nghiên cứu các phương pháp mới để giảm PAPR vẫn được tiến hành và đây là một lĩnh vực thật sự đáng được quan tâm Page 34 Tổng quan về kĩ thuật OFDM CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR 4.1 Giới thiệu chương Chương này là phần mô phỏng một số phương pháp giảm PAPR đã được nói ở chương ba Cụ thể sẽ mô phỏng bốn phương pháp, giảm. .. động của hệ thống giảm PAPR (chủ yếu là phía thu) và mô phỏng hiệu quả của hệ thống so với khi chưa dùng phương pháp giảm PAPR +Kết quả để đánh giá ở ngỏ ra mô phỏng là : mức giảm PAPR đánh giá bằng đồ thì hàm phân bố tích lũy bù CCDF 4.2.2 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng Sau đây là chi tiết sơ đồ mô phỏng hoạt động của hệ thống giảm PAPR: Hình 4.1: Sơ đồ máy phát Page 35 Tổng quan về kĩ thuật OFDM Hình... truyền riêng phần PTS, phương pháp sử dụng lược đồ chọn mức SLM và cuối cùng là phương pháp âm hiệu dành riêng TR Luận văn này mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab R2009A Version 7.8 4.2 Mô tả hệ thống mô phỏng Trước khi đi vào từng phần mô phỏng cụ thể sẽ giới thiệu sơ lược qua hệ thống OFDM được sử dụng để mô phỏng 4.2.1 Tham số hệ thống mô phỏng + Số sóng mang con = độ lớn 1 symbol OFDM : 64 + Kiểu điều... về kĩ thuật OFDM Hình 2.5: Công suất đỉnh và công suất trung bình của một symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM Trong một hệ thống OFDM, gọi là một symbol OFDM với n=0,1,2…N-1, với vector X=là một khối dữ liệu OFDM Chúng được truyền trên một tập hợp các sóng mang phụ k=0,1,2 … N-1 Các sóng mang này được chọn trực giao với nhau Biên độ tức thời của tín hiệu baseband OFDM có N thành... chế các sóng mang khác Lý do PAPR giảm là khi ta thêm vào trong miền tần số vector C thì ở miền thời gian tín hiệu thay đổi giúp giảm đi các đỉnh cao Với kĩ thuật này PAPR có thể giảm đi từ 3 đến 6DB 3.8 Các tiêu chí lựa chọn phương pháp giảm PAPR Có nhiều tiêu chí cần phải xem xét trước khi lựa chọn một phương pháp giảm PAPR cụ thể Các yếu tố này bao gồm khả năng giảm PAPR (Reduction PAPR Capability),... Không Có Có Có Có Hình 3.10: So sánh các phương pháp giảm PAPR 3.9 Kết luận Sau khi đã tìm hiểu các phương pháp giảm PAPR, tìm hiểu một số chỉ tiêu đánh giá các kỹ thuật giảm PAPR trong OFDM Có thể tóm tắt lại như sau, PAPR có thể giảm bằng cách làm méo tín hiệu như cắt biên độ và lọc (clipping and filter) nhưng kỹ thuật này lại gây bức xạ ngoài băng mà méo dạng trong băng Bằng cách xáo trộn dữ liệu ta... nhiều hơn khoảng thời gian symbol Trong hệ thống OFDM, người ta xét ba loại đồng bộ khác nhau là: đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) Đồng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu kĩ lưỡng hơn trong các đề tài khác 2.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất . lọc tần số. - Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT. - Khả năng kết hợp tốt các kĩ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như: hệ thống OFDM- CDMA và MIMO -OFDM. 1.7.2. bộ trong hệ thống OFDM Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sai lệch về tần số do ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi dịch chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số. Trong. về kĩ thuật OFDM Hình 2.5: Công suất đỉnh và công suất trung bình của một symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM Trong một hệ thống OFDM, gọi là một symbol OFDM với n=0,1,2…N-1,