hệ thống dùng ofdm qua kênh truyền awgn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỀ TÀI HỆ THỐNG DÙNG OFDM QUA KÊNH TRUYỀN AWGN GVHD: Th.S Đặng Lê Khoa SVTH : Nông Việt Bình Hà Quốc Dũng Lê Hoài Nam Trần Hoàng Tuấn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011 MỤC LỤC I.Giới thiệu về OFDM …………………………………………………… 02 1. Lịch sử phát triển ………………………………………………………… 02 2. Tổng quan về OFDM ……………………………………………………… 02 2.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM …………………… 03 2.2 Sự trực giao (Orthogonal) trong OFDM ………………………………… 03 II.Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM ………… 05 1. Khoảng bảo vệ …………………………………………………………… 05 2. Tiền tố lặp CP …………………………………………………………… 05 3. Kênh nhiễu cộng AWGN …………………………………………………… 06 III Mô phổng OFDM bằng matlab …………………………………………… 06 1. Sơ đồ mô phỏng …………………………………………………………… 06 2, Kết quả ………………………………………………………………………. 08 3. Giải Thích …………………………………………………………………… 08 IV.Tổng Kết …………………………………………………………… 08 1.Ưu điểm ………………………………………………………………………. 09 2. Nhược điểm ……………………………………………………………. 09 3. Ứng dụng ………………………………………………………………. 09 2 I.Giới thiệu về OFDM 1. Lịch sử phát triển Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứuvà mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, ngườI đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổI DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT 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. 2. Tổng quan về OFDM: OFDM (là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) có thể được tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. Kỹ thuật này được đưa ra vào khoảng giữa những năm 60 chứ không phải là mới mẻ. Tuy nhiên, do độ phức tạp trong tính toán của nó nên mãi đến rất gần đây nó mới được áp dụng trong các ứng dụng dân dụng. Trước đó, chủ yếu được sử dụng trong các ựng dụng quốc phòng của bộ Quốc Phòng Mỹ. Một trong những vấn đề rất phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao qua một kênh có băng thông rất rộng là vấn đề chọn lọc tần số. Một kênh chọn lọc tần số là một kênh trong đó các hành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi 3 được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau (cả về biên độ và mức độ phi tuyến) cho nên tín hiệu phía thu bị méo rất nặng và dẫn đến việc khôi phục tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn. 2.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao 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 được 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 kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. 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. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. 2.2 Sự trực giao (Orthogonal) trong OFDM. Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại 4 bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau. Trong OFDM, có thể sắp xếp các sóng mang sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao. Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc. Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ADSL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). 5 Sơ đồ tần số và thời gian của tin hiệu OFDM II.Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM 1. Khoảng bảo vệ Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. . Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. 2. Tiền tố lặp CP Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau. 6 Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu.Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền. 3. Kênh nhiễu cộng AWGN Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn. III Mô phổng OFDM bằng matlab 1. Sơ đồ mô phỏng. Sơ đồ hệ thống sử dụng OFDM qua kênh AWGN 7 Bộ OFDM Modulation Bộ OFDM Demodulation 8 2, Kết quả: Phổ tín hiệu OFDM 3. Giải thích - Ở đầu phát: Hệ thống OFDM sẻ phân chia dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao thành N luồng dữ liệu song song tốc độ thấp(được mang trên các sóng mang con trực giao về tần số) thông qua bộ biến đổi S/P. Tiếp đó tín hiệu được tổng hợp lại và đưa tới bộ biến đổi IFFT để chuyển đổi tín hiệu thành các mẩu rời rạc thời gian sau đó được chèn thêm khoảng bảo vệ và được truyền đi. - Ở đầu thu: Khoảng bảo vệ được loại bỏ. Tín hiệu được biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ biến đổi FFT sau đó được loại bỏ pilot và được sắp xếp lại cuối cùng nhận được chuồi dữ liệu ban đầu được truyền đi. IV.Tổng Kết. Tóm lại, ta có thể rút ra được các Ưu điểm , nhược điểm và các ứng dụng hiện nay cua kỉ thuật OFDM. 9 1.Ưu điểm Tăng hiệu quả sử dụng băng thông. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đa đường. Hạn chế được nhiễu giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) . Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT. 2.Nhược điểm Nhạy với offset tần số. Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn 3.Ứng dụng - Phát quảng ba số: Phát thanh sô (DAB), Truyềnhìnhsô (DVB) … - Thông tin Hữu tuyến: ADSL, HDSL - Thông tin Vô tuyến: WLAN: 802.11a/g/n (Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G (LTE). 10 . phỏng. Sơ đồ hệ thống sử dụng OFDM qua kênh AWGN 7 Bộ OFDM Modulation Bộ OFDM Demodulation 8 2, Kết quả: Phổ tín hiệu OFDM 3. Giải thích - Ở đầu phát: Hệ thống OFDM sẻ phân chia dòng dữ liệu. Sự trực giao (Orthogonal) trong OFDM. Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang. MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỀ TÀI HỆ THỐNG DÙNG OFDM QUA KÊNH TRUYỀN AWGN GVHD: Th.S Đặng Lê Khoa SVTH : Nông Việt Bình Hà Quốc Dũng Lê Hoài Nam