Tổng quan kỹ thuật ofdm

Chương TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu OFDM Lịch sử OFDM Mặc dù OFDM phát minh từ năm 1950 Nhưng việc điều chế liệu sóng mang cách xác, việc tách sóng phụ phức tạp thiếu thiết bị phụ vụ cho việc thực kỹ thuật nên hệ thống chưa phát triển vào thời điểm Tuy nhiên sau 20 năm phát minh, kỹ thuật OFDM ứng dụng rộng rãi nhờ vào phát triển phép biến đổi Fourier nhanh FFT IFFT Cũng giống kỹ thuật CDM, kỹ thuật OFDM ứng dụng lĩnh vực quân Đến năm 1980, kỹ thuật OFDM nghiên cứu nhằm ứng dụng modem tốc độ cao truyền thông di động Và năm 1990, OFDM ứng dụng truyền dẫn thông tin băng rộng HDSL, ADSL, VHDSL sau OFDM ứng dụng rộng rãi phát số DAB truyền hình số DVB Trong năm gần đây, OFDM sử dụng hệ thống không dây IEEE 802.11n (Wi - Fi) IEEE 802.16e (WiMAX) tiếp tục nghiên cứu ứng dụng chuẩn di động 3.75G 4G Sự phát triển OFDM Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) sử dụng thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua đường dây điện thoại Mỗi kênh xác định tần số trung tâm kênh phân cách dải bảo vệ nhằm đảm bảo phổ kênh không chồng lấn lên Dải bảo vệ nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng băng thông không hiệu FDM Hình sau mơ tả việc sử dụng băng thơng hệ thống FDM Hình 1.1 FDM truyền thống Truyền dẫn đa sóng mang Truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) dạng FDM dùng cho luồng liệu phát luồng liệu thu tương ứng MC dùng để chia nhỏ luồng liệu thành luồng liệu song song Luồng liệu cần truyền chia làm nhiều luồng liệu Sau đó, luồng liệu đưa qua biến đổi nối tiếp - song song truyền song song nhiều sóng mang khác (mỗi luồng truyền sóng mang) với tốc độ truyền thích hợp, tốc độ truyền liệu sóng mang phải thấp nhiều lần tốc độ truyền ban đầu Tốc độ liệu tổng thể tổng tốc độ liệu tất kênh Dạng MC đơn giản chia luồng liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền N luồng điều chế N tần số sóng mang khác ghép kênh đưa lên kênh truyền Ở phía thu làm ngược lại phân kênh, giải điều chế, ghép luồng liệu song song thành luồng ban đầu N chọn cho độ rộng symbol lớn nhiều trải trễ kênh truyền N kênh tốc độ M/N bit/s Tốc độ Mbit/s MC Tần số sóng mang f1 , f , f n N Hình 1.2 Hệ thống thơng tin đa sóng mang Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM MC sở OFDM, điểm khác biệt OFDM sử dụng tập sóng mang trực giao Tính trực giao có nghĩa tín hiệu điều chế hồn tồn độc lập với Tính trực giao với đạt sóng mang đặt xác vị trí “null” phổ tín hiệu điều chế, điều cho phép phổ tín hiệu chồng lấn lên tức hồn tồn khơng cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thơng đáng kể so với FDM truyền thống Hình 1.3 cho thấy việc sử dụng hiệu băng thông OFDM Hình 1.3 Băng thơng sử dụng hiệu OFDM (a) Phổ FDM; (b) Phổ OFDM 1.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, kênh có sóng mang riêng biệt Các sóng mang trực giao với sóng mang khác có nghĩa có số nguyên lần lặp chu kỳ ký tự Vì vậy, phổ sóng mang “khơng” tần số trung tâm tần số sóng mang khác hệ thống Kết khơng có nhiễu sóng mang phụ Sóng mang OFDM biểu diễn hình 1.4 Hình 1.4 Sóng mang OFDM (N=8) 1.2.1 Nguyên lý OFDM Nguyên lý OFDM chia nhỏ luồng liệu tốc độ cao trước phát thành nhiều luồng liệu tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với nhau, điều thực cách chọn độ giãn tần số cách hợp lý Vì khoảng thời gian symbol tăng lên làm cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM mở rộng theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI Về chất, OFDM trường hợp đặc biệt phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bố cách trực giao Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, phân tán theo thời gian gây trải rộng trễ truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Trong số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng phổ kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có khác Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thơng (hình 1.5) Để đạt hiệu đó, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ cần triệt để giảm xuyên nhiễu sóng mang Điều có nghĩa sóng cần trực giao với Sự trực giao sóng mang mối quan hệ tốn học cách xác tần số sóng mang Ch.10 Ch.1 Tần số (a) Tiết kiệm băng thông (b) Tần số Hình 1.5 So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng phổ (a) kỹ thuật sóng mang chồng phổ (b) OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để trì ngăn cách đài Tuy nhiên khơng có kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, tín hiệu thông tin từ nhiều trạm kết hợp dịng liệu ghép kênh đơn Sau liệu truyền sử dụng khối OFDM tạo từ nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm sốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, khơng gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu phổ 1.2.2 Sơ đồ khối OFDM Cơ hệ thống OFDM có sơ đồ khối tổng quát sau: Dữ liệu vào Biến đổi nối tiếp song song Điều chế số mã hóa IFFT Biến đổi song song nối tiếp Chèn khoảng bảo vệ D/A Điều chế sóng mang cao tần Kênh truyền Dữ liệu Biến đổi song song nối tiếp Giải điều chế số giải mã FFT Biến đổi nối tiếp song song Tách khoảng bảo vệ A/D Giải điều chế cao tần Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dịng liệu song song sau đưa qua khối mã hóa liệu điều chế số để mã hố liệu dạng số, mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Sau đó, symbol hỗn hợp đưa qua biến đổi IFFT tạo đặc trưng trực giao sóng mang Tín hiệu sau trực giao hóa nhờ IFFT chuyển đổi trở dạng liệu nối tiếp chuyển đổi song song nối tiếp (P/S) Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vô tuyến đa đường Sau chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền kênh Trong q trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, q trình thực ngược lại với q trình phát Tín hiệu lấy mẫu sau qua biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số Tiếp đến, phần CP loại bỏ Sau loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu đưa qua biến đổi S/P để chuyển từ dạng nối tiếp sang song song, đưa qua biến đổi FFT Các symbol hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Các symbol song song sau FFT chuyển dạng nối tiếp qua P/S Cuối thu nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu 1.3 Hệ thống OFDM Tất hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thơng tin tạo thành dạng truyền hiệu kênh thơng tin Sơ đồ điều chế phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin dạng sóng analog digital Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thơng tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa nguyên tắc phân chia luồng liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); luồng liệu thành phần trải phổ với chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s) Sau điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền nhiều sóng mang trực giao Phương pháp cho phép sử dụng hiệu băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI tăng khả giao thoa sóng mang Sau hệ thống OFDM bản: S0 Dữ liệu vào Biến đổi nối tiếp/song song Điều chế tần số f0 Điều chế tần số f1 S0, S1, …, SN-1 Bên phát SN-1 Giải điều chế tần số f0 Điều chế tần số fN-1 S0 Biến đổi song song/ nối tiếp Giải điều chế tần số f1 Giải điều chế tần số fN-1 SN-1 Dữ liệu Bên thu Hình 1.7 Hệ thống OFDM f0=1/T f f1=2/T f2=3/T fN-1=N/T f N f=W Hình 1.8 Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1.9 Symbol OFDM với sóng mang Trong cơng nghệ FDM truyền thống, sóng mang lọc riêng biệt để bảo đảm khơng có chồng phổ, khơng có tượng giao thoa ký tự ISI sóng mang phổ lại chưa sử dụng với hiệu cao Với kỹ thuật OFDM, khoảng cách sóng mang chọn cho sóng mang trực giao chu kỳ ký tự tín hiệu khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ Phổ sóng mang Phổ sóng mang f f a Phổ kênh b Phổ sóng mang OFDM Hình 1.10 Phổ sóng mang OFDM 1.4 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang e iwo t e iwo t kênh g(t) g*(-t) Hình 1.11 Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 1.11 mô tả cấu trúc chung hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát xung định dạng lọc phía phát Sau truyền kênh đa đường Ở phía thu, lọc phối hợp với kênh truyền sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) thiết bị thu nhận liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu phức tạp Đây ngun nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 1.5 Đa sóng mang (Multi - Carrier) Nếu truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích e iwo t e g(t) iwo t g*(-t) e iwk t e iwk t kênh g(t) g*(-t) e iwN t g(t) + e iwN t g*(-t) Hình 12 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Do vậy, sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, liệu gốc thu xác Để khơi phục liệu mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC Bên máy thu, sóng mang tách dùng lọc thông thường giải điều chế Tuy nhiên, để khơng có can nhiễu sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ hiệu phổ OFDM kỹ thuật điều chế đa sóng mang, liệu truyền song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang bit thơng tin Bằng cách ta tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu ký tự, … Để làm điều này, sóng mang phụ cần máy phát sóng sin, điều chế giải điều chế riêng Trong trường hợp số sóng 10 Ở biết biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Nhưng tính tốn, để tăng tốc độ tính, người ta tìm thuật tốn tính DFT cách nhanh chóng hiệu gọi phép biến đổi nhanh Fourier Như biết, DFT dãy x(n) là: N x n WNkn , X k k (2.8) 0, 1, , N - n W kn N e j kn N W kn cos kn N j sin kn N Biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) X(k) là: xn N N X k WN kn , n (2.9) 0, 1, , N - k Trong công thức (2.8) (2.9) , x(n) X(k) số phức x(n)=a(n)+jb(n) X(k)=A(k)+jB(k) Do N Ak jB k an jb n cos n kn N sin kn N (2.10) N Ak a n cos kn N b n sin kn N (2.11) b n cos kn N a n sin kn N (2.12) n N Bk n Các biểu thức (2.8) (2.9) khác dấu số mũ W hệ số tỉ lên 1/N lý luận cách tính biểu thức (2.8) áp dụng cho biểu thức (2.9) với vài thay đổi nhỏ dấu hệ số tỉ lệ Trước hết xem xét qua cách tính trực tiếp DFT với số nhận xét lưu ý sau: Một phép nhân số phức tương đương với bốn phép nhân số thực 24 Số lượng phép tính tương đối, ví dụ phép nhân với W=1 thực tế khơng cần thực ta tính, n lớn nên phép tính kiểu khơng đáng kể Thời gian làm phép nhân (tn), máy tính vạn lớn nhiều thời gian làm phép cộng (tc) Vì phải quan tâm làm giảm nhỏ phép nhân Thời gian phụ (tp) làm công việc khác truyền số liệu, đọc hệ số tạm bỏ qua Do độ phức tạp tính tốn phương diện thời gian tỉ lệ với số phép tính số học (số phép tính nhân số phép tính cộng) Việc tính X(k) tương đương với việc tính phần thực A(k) phần ảo B(k) Ta thấy giá trị k, việc tính tốn trực tiếp X(k) cần 4N phép nhân số thực (4N-2) phép cộng số thực Vì X(k) phải tính cho giá trị khác k, cách tính trực tiếp DFT dãy x(n) cần có 4N2 phép tính nhân thực N(4N-2) phép cộng số thực Hay nói cách khác cần có N2 phép nhân số phức N(N-1) phép cộng số phức Do số lần tính tốn thời gian tính tốn tỉ lệ gần với N2 nên rõ ràng số phép tốn số học cần có để tính trực tiếp DFT trở lên lớn N tăng Do thuật toán cố gắng tìm cách làm giảm số phép tính, đặc biệt số phép nhân Chúng ta xét vài thuật toán FFT hiệu quả, thuật tốn có số phép tính tỉ lệ với N.log2(N) Nguyên tắc tất thuật tốn dựa việc phân tích cách tính DFT dãy N điểm (gọi tắt DFT N điểm) thành phép tính DFT dãy nhỏ Nguyên tắc dẫn đến thuật toán khác tất giảm đáng kể thời gian tính tốn Trong phần xét đến hai lớp thuật toán FFT: Thuật toán FFT phân chia theo thời gian phân chia theo tần số 2.2.1 Thuật toán FFT phân chia theo thời gian Nguyên tắc chung Nguyên tắc tất thuật toán FFT dựa việc phân tách DFT N điểm thành DFT nhỏ (tức số điểm tính DFT nhỏ 25 hơn) Theo cách khai thác tính tuần hồn tính đối xứng W * Tính đối xứng W k N n * W kn * Tính tuần hồn W kn W k n N k N n W W k N n N Thuật toán phân chia dựa việc phân chia dãy x(n) thành dãy nhỏ gọi thuật toán phân chia theo thời gian, số n thường gắn với thời gian Nguyên tắc thuật toán minh hoạ rõ rệt ta xem sét trường hợp N lấy giá trị đặc biệt: N luỹ thừa 2, ( cịn có tên FFT số 2), tức N=2M Do N số chẵn nên ta tính X(k) cách tách x(n) thành hai dãy, dãy có N/2 điểm, dãy chứa điểm lẻ x(n) dãy chứa điểm chẵn x(n) Cụ thể từ cơng thức tính X(k) ta có: N x n WNkn , X k k 0, 1, , N - n Sau tách dãy x(n) thành dãy đánh số chẵn số lẻ, ta có: N N x n W Nkn X k x n W Nkn n chẵn n lẻ hoc bng cách thay biến n=2r N chẵn n=2r+1 N lẻ N X k N x 2r WN2 rk r N x 2r WN2 r r x 2r W rk W k N r Bởi W WN , W 1k N (2.13) x 2r W rk N r e j2 N e j N /2 W N nên biểu thức (2.13) 2 viết lại thành: N X k x 2r W r Đặt X k N x 2r W rk N /2 W k N x 2r W rk N /2 r rk N /2 (X0 tương ứng với r chẵn) r 26 X k N x 2r W rk N /2 (X1 tương ứng với r lẻ) r ta có X(k)=X0(k)+Wk.X1(k) (2.14) Có thể thấy X0(k) X1(k) DFT N/2 điểm, X0(k) DFT N/2 điểm điểm đánh số chẵn dãy x(n) ban đầu, X1(k) DFT N/2 điểm đánh số lẻ dãy ban đầu Mặc dù số k dãy X(k) chạy qua N giá trị: k=0, 1, , N-1 ta cần tính X0(k) X1(k) với k chạy từ đến N/2 -1, X0(k) X1(k) tuần hoàn với chu kỳ N/2 Sau hai DFT X0(k) X1(k) tương ứng tính, chúng kết hợp với để tạo DFT N điểm X(k) Bây ta sơ tính số phép nhân cộng cần có cho cách tính DFT kiểu Ta biết DFT N điểm tính trực tiếp cần N2 phép nhân phức khoảng N2 (chính xác N(N-1)) phép cộng phức Sau phân tách thành DFT N/2 điểm ta cần 2(N/2)2 phép nhân phức khoảng 2(N/2)2 phép cộng phức để thực X0(k) X1(k) Sau ta thêm N phép nhân phức để thực nhân Wk X1(k) thêm N phép cộng phức để tính X(k) từ X0(k) Wk.X1(k) Tổng cộng lại ta cần 2N+2(N/2)2=2N+N2/2 phép nhân phức phép cộng phức để tính tất giá trị X(k) Dễ dàng kiểm tra lại với N>2 2N+N2/2 nhỏ N2 Như với N chẵn ta chia nhỏ DFT N điểm thành DFT N/2 điểm với số phép tính thời gian tính nhỏ Với N/2 số chẵn lại hồn tồn tương tự, ta lại chia DFT N/2 điểm thành DFT N/4 điểm Nếu số N có dạng N=2M ta chia đơi M lần, số điểm tính DFT Do việc liên tục chia nên người ta gọi FFT số để phân biệt FFT số N=4M Cụ thể X0(k) lại tách sau: N X0 k x 2r W r rk N /2 N gr W rk N /2 r tương tự trước, ta đặt l=2r để tách g(r) thành hai dãy chẵn lẻ 27 N X0 k g 2l W N2lk/ l N g 2l W N2/l2 k l N g 2l W lk N /4 W Nk / l X 00 k N g 2r W lk N /4 l W k N /2 X 01 k Như X0(k) lại tách thành DFT X00(k) X01(k) Với X00(k) DFT dãy g(r) có số chẵn X01(k) DFT dãy g(r) có số lẻ Cơng việc làm hồn tồn tương tự cho X1(k) Cuối việc phân tách dẫn đến DFT điểm, hệ số W thực mang giá trị đặc biệt -1 nên thực tế làm phép nhân việc phân chia dừng lại Với N=2M, số lần phân chia M lần Số phép tính nhân cộng phức cần thực sau M=log2N phân chia tính sau: tương ứng với lần phân chia ta cần N phép nhân phức để nhân kết DFT tầng trước với hệ số W tương ứng N phép cộng phức để nhóm kết lại với Tổng cộng lại, ta cần N.log2N phép nhân phức Nlog2N phép cộng phức để thực FFT 2.2.2 Thuật toán FFT số phân chia theo tần số Nguyên tắc chung trình bày thuật toán FFT dựa việc phân chia nhỏ dãy vào x(n) để phân tách việc tính DFT N điểm thành DFT nhỏ Trong phần xem xét thuật toán FFT dựa việc phân tách dãy X(k) thành dãy nhỏ theo cách phân tách dãy x(n) Do số k dãy X(k) gắn liền với thang tần số nên thuật toán gọi thuật toán FFT phân chia theo tần số Với giả thiết N=2M, ta chia dãy vào thành hai nửa, nửa chứa N/2 mẫu đầu, x(n) với n=0, 1, , N/2 -1, nửa sau chưa N/2 mẫu lại, ta có: N X k n N x n WNkn x n W Nkn n N 28 N X k x n WNkn W N N k 2 n Với WNN / x n n N WNkn kết hợp tổng lại ta có: N X k k xn x n n N WNkn xét k=2r (k chẵn) k=2r+1 (k lẻ) ta nhận X(2r) X(2r+1) tương ứng với dãy số chẵn dãy số lẻ: N X 2r xn n x n N N X 2r xn n x n W N2 rn với r=0, 1, , (N/2-1) N W NnW N2 rn Do WN2 rn WNrn/ nên ta thấy X(2r) DFT N/2 điểm dãy g(n)=x(n)+x(n+N/2); g(n) tổng nửa đầu dãy x(n) với nửa sau dãy x(n) Còn X(2r+1) DFT N/2 điểm tích W với dãy h(n)=x(n)x(n+N/2); h(n) hiệu nửa đầu dãy x(n) với nửa sau dãy x(n) Như DFT N điểm dãy x(n) tính sau: Trước hết tạo hai dãy h(n) g(n), sau thực W.h(n) Cuối thực DFT hai dãy này, ta có điểm X(k) số chẵn X(k) số lẻ Với DFT N/2 điểm ta lại tiến hành hoàn toàn tương tự làm để tách DFT N/2 điểm thành DFT N/4 điểm Cứ DFT cuối DFT hai điểm Qua trình lần phân tách, ta cần N/2 phép nhân tất có M=log2N lần phân tách Số phép nhân tổng cộng N log N , với phép nhân cách tính theo phương pháp phân chia theo thời gian, số phép cộng 2.3 Thực điều chế OFDM thuật toán IFFT 2.3.1 Sơ đồ điều chế OFDM dùng thuật toán IFFT Theo Fourier tín hiệu phân tích thành tập hợp súng hình sin trực giao với Vì người ta lợi dụng đặc tính trực giao tập hợp trực giao để điều chế tín hiệu OFDM: 29 - Tín hiệu phân kênh ghép sóng hình sin, biến thành hệ số tần số miền tần số Như đảm bảo kênh điều chế sóng mang trực giao - Dùng IFFT để chuyển toàn tín hiệu (của tất kênh) miền thời gian để phát Như tín hiệu kênh không xen rẽ sang kênh khác mà không cần khoảng tần số bảo vệ kênh - Mỗi lần thực IFFT, sóng mang con, hay kênh tần số trực giao đầu vào IFFT mang thơng tin tín hiệu cho kênh, chúng trực giao với Đấy lý phải dùng IFFT mà dùng FFT đầu phát Hình 2.1 Sơ đồ bên phát điều chế OFDM dùng IFFT 2.3.2 Hoạt động bên phát điều chế OFDM dùng IFFT N Từ cơng thức (2.9) ta có: x n N X kWN kn , n 0, 1, , N - k W kn N e j kn N W kn cos kn N j sin kn N nên ta có: Re Im N N 1 N N X k cos kn , N n 0, 1, , N - X k sin kn , N n 0, 1, , N - k k tín hiệu sau biến đổi DAC: 30 Re Im N N 1 N N X k cos k fSt N X k sin k fSt N k k Điều chế với sóng mang có tần số fc: N Out1 Re cos f ct 2N Out X k cos k N X k cos k N Im sin f ct 2N N N X k sin k k f S t cos f ct N k fS N k cos fc k fS t N fc k fS t N k f S t sin f ct N N X k cos fc t fc k fS t N cos từ ta có: st N N X k cos k fc k fS t N Một tín hiệu sóng mang OFDM tổng sóng mang thành phần trực giao, với liệu băng sở sóng mang phụ điều chế độc lập, thường sử dụng điều chế biên độ vng góc (QAM) hay khóa dịch pha (PSK) Tín hiệu băng gốc tổng hợp thường sử dụng để điều chỉnh sóng mang RF s(n), luồng nối tiếp số nhị phân Bằng ghép kênh ngược, giải mã kênh thành luồng song song, ánh xạ tới luồng kí hiệu (có thể phức) sử dụng số điều chế chòm (QAM, PSK, ) Lưu ý chịm khác nhau, số luồng có tốc độ bit cao luồng khác Một FFT ngược tính tốn tập hợp kí hiệu, đưa tập hợp mẫu miền thời gian phức Những mẫu sau trộn vng góc với dải thông tiêu chuẩn Các thành phần thực ảo chuyển đổi sang tương tự cách sử dụng chuyển đổi số-tương tự (DACs), tín hiệu tương tự sau sử dụng để điều 31 chỉnh sóng cosin sin tần số sóng mang tương ứng Những tín hiệu sau tổng hợp để cung cấp cho tín hiệu truyền dẫn, Hoạt động tầng IFFT thể hình 2.2 Hình 2.2 Nguyên lý tầng IFFT Trong miền tần số, trước đưa IFFT mẫu rời rạc IFFT tương ứng với sóng mang Hầu hết sóng mang điều chế số liệu lưu lượng Các sóng mang bên ngồi khơng bị điều chế biên độ đặt khơng Các sóng mang khơng điều chế dùng để tạo băng tần để bảo vệ trước tần số Nyquist để đảm bảo độ dốc lọc tương tự Sau IFFT tín hiệu OFDM băng gốc đưa lên chèn khoảng bảo vệ tạo cửa sổ Tại tín hiệu OFDM chèn đoạn tiền tố chu trình đóng vai trị khoảng bảo vệ chèn đoạn mở cổng tiền hậu tố để tạo dạng phổ (hình 2.3) Thời gian khoảng bảo vệ ký hiệu T GD chọn lớn thời gian trễ trội cực đại kênh phađinh Vì phần hiệu dụng tín hiệu thu (đoạn TFFT) coi tích chập tín hiệu OFDM với đáp ứng xung kim kênh Đoạn bảo vệ đưa vào để trì tính trực giao sóng mang tính độc lập tín hiệu OFDM nối tiếp tín hiệu OFDM truyền kênh vơ tuyến phađinh đa đường Việc 32 trì tính trực giao sóng mang cho phép tránh ICI (intercarrier interference: nhiễu sóng mang) việc trì tính độc lập ký hiệu cho phép tránh ISI (inter-symbol interference: nhiễu ký hiệu) Khoảng bảo vệ tiền tố có chu trình, chép phần cuối ký hiệu OFDM truyền trước (xem hình 2.4) hh Hình 2.3 Dạng ký hiệu sau chèn lập cửa sổ phía phát đáp ứng xung kim kênh ký hiệu OFDM hiệu dụng lấy phía thu Hình 2.4 Chèn khoảng bảo vệ Xung chữ nhật có độ rộng phổ lớn búp bên biến đổi Fourier có dạng sin Tạo cửa sổ kỹ thuật giảm búp bên nhờ 33 giảm cơng suất phát ngồi băng Trong hệ thống OFDM cửa sổ phải sử dụng không ảnh hưởng lên tín hiệu thời gian hiệu dụng Vì phần mở rộng theo chu kỳ hình 2.5 Tạo cửa sổ cho xung phát sử dụng hàm cosin tăng coi tích chập xung chữ nhật có độ dài T với nửa sóng sin hình 2.5 Trong miền tần số tích chập tương đương với nhân phổ sin xung chữ nhật với phổ nửa sóng sin Từ hình 2.5 ta thấy việc nhân cho phép giảm búp bên phổ xung phát Trên hình 2.5 (a) giá trị phổ xảy vị trí i F i / TFFT ,i={±1; ±2; …}, nghĩa vị trí đặt sóng mang lân cận Việc mở rộng xung đến xung đến độ dài T = T FFT + T GD + T W IN giảm khoảng cách giá trị phổ khơng xuống cịn 1/T hình 2.5 (b) Hàm tạo cửa sổ hình 2.5 (c) nhận giá trị không {±3/2; ±5/2; ±7/2; }/ T W IN Tích phổ hình 2.5 (b) hình 2.5 (c) cho ta kết tạo cửa sổ hình 2.5 (d) Nhận xét hình 2.5 (d) ta thấy nhờ tạo cửa sổ búp bên giảm đáng kể Hình 2.5 (a) Dạng xung phổ ký hiệu OFDM hiệu dụng (được thực IFFT); (b) Xung độ dài T phổ nó; (c) Xung nửa sin sử dụng để tạo dạng xung phổ nó; (d) Xung phát w(t) phổ Các độ dài xung thường đo số mẫu, NFFT NGD NWIN xác định số mẫu phần hiệu dụng, khoảng bảo vệ khoảng tạo cửa sổ 34 2.4 Thực giải điều chế OFDM thuật toán FFT 2.4.1 Sơ đồ điều chế OFDM dùng thuật tốn FFT Hình 2.6 Sơ đồ bên thu điều chế OFDM dùng thuật toán FFT 2.4.2 Hoạt động bên thu điều chế OFDM dùng FFT Tín hiệu thu: N rt N Yk cos k fS t N fc k Qua nhân với tần số fc: Out1 r t 2N Out r t N cos f ct Yk cos Yk cos k N fc k N sin f ct 2N N k fSt N cos N Yk cos k N Yk sin 2 fc k k f S t cos f ct N fc fc k fS t N k f S t sin f ct N k fS t N sin k fSt N Qua lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần số f c k fS , N qua chuyển đổi ADC ta được: Re Im N N 1 N N Yk cos kn , N n 0, 1, , N - Yk sin kn , N n 0, 1, , N - k k Đầu sau FFT ta thu 35 yn N N YkWN kn , n 0, 1, , N - k Bộ thu nhận tín hiệu r(t), sau trộn vng góc xuống băng gốc cách sử dụng sóng cosin sin tần số sóng mang Điều tạo tín hiệu trung tâm có tần số 2fc, lọc thơng thấp sử dụng để loại bỏ chúng Các tín hiệu băng gốc sau lấy mẫu số hóa cách sử dụng chuyển đổi tương tự số (ADCs), cho qua biế đổi FFT để chuyển ngược trở lại miền tần số Điều trả lại luồng song song N đường, đường chuyển thành luồng nhị phân cách sử dụng tách kí hiệu thích hợp Luồng sau lại kết hợp thành luồng nối tiếp, ước lượng dòng nhị phân ban đầu máy phát 36 Chương MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG Ta có sơ đồ mơ điều chế giải điều chế đa sóng mang hình 3.1 B-FFT Spectrum Scope Trans Vert Cat DSP Select Rows IFFT IFFT Sine Wave Multiport Selector_T Matrix Concatenation_T Vert Cat FFT Select Rows B-FFT FFT Spectrum Scope Receive Multiport Selector_R Matrix Concatenation_R Hình 3.1 Sơ đồ mơ điều chế giải điều chế đa sóng mang Tín hiệu từ nguồn, qua Multiport Selector_T để chuyển mẫu từ nối tiếp thành song song, sau tín hiệu điều chế với song mang con, chèn thêm khoảng bảo vệ qua Matrix Concatenation_T để chuyển thành Xk (k = 0, 1, , N) nối tiếp Qua IFFT chuyển sang miền thời gian với đa song mang, tín hiệu tiếp tục điều chế với sóng mang truyền Tại phía thu ta làm ngược lại, giải điều chế sóng mang chính, qua FFT chuyển sang miền tần số, qua Multiport Selector_R để chuyển mẫu từ nối tiếp thành song song, sau tín hiệu giải điều chế với song mang con, tách khoảng bảo vệ qua Matrix Concatenation_T thu lại tín hiệu từ phía phát 37 Kết mơ với tín hiệu phát dạng sin có tần số 0.2kHz thể hình 3.2 3.3 Hình 3.2 Phổ tín hiệu phát Hình 3.3 Phổ tín hiệu thu thu 38