Nghiên ứu kỹ thuật ấp phát kênh động ho mạng tế bào sử dụng ông nghệ ofdm

Trang 1 NGUYỄN TRUNG KIÊNNGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO MẠNG TẾ BÀO SỬ Ụ D NG CÔNG NGHỆ OFDM Trang 2 Nguyễn Trung Kiên LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm n GS.TS.. Hà Nội, n

Trang 1

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Trang 2

Nguyễn Trung Kiên

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm n GS.TS Trầơ n Đức Hân, TS Nguy n Văn Đức, ễhai người thầy đồng thời là giáo viên hướng dẫn trực tiếp của tôi, những người luôn tận tình chỉ bảo, d y d về mặt chuyên môn, động viên khích lệ ềạ ỗ v mặt tinh thần cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng muốn nói l i cờ ảm ơn với bố mẹ, em gái, b n gái, gia đình và ạ

những người thân của tôi Mọi ngườ đi ã luôn theo sát, ng h , động viên tôi ủ ộtrong quá trình học tập cũng như làm tốt nghiệp cao họ ạc t i trường Đại h c Bách ọKhoa Hà Nội

Tôi gửi l i cờ ảm n chân thành tới các thầy, các cô, Khoa Đ ệơ i n Tử Viễn Thông, Khoa Sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi trực tiếp theo học suốt 2 năm vừa qua, vì sự quan tâm dậy dỗ ủ, ng h , tạo đ ềộ i u kiện giúp

đỡ tôi

Cuối cùng, tôi xin g i lời cám ơn tới tất cả bạử n bè, đồng nghi p vì sự quan ệtâm, góp ý, … để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2005

Nguyễn Trung Kiên

Trang 3

Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ

GIỚI THIỆU

Kỹ thuật đ ều chế phân kênh theo tần số trực giao OFDM ngày càng khẳng iđịnh những u th vượư ế t trội c a mình so v i ph ng pháp đ ềủ ớ ươ i u ch đơn sóng ếmang truyền th ng trong thông tin b ng r ng Tuy nhiên, các h thốố ă ộ ệ ng truy nh p ậ

vô tuyến b ng ră ộng, mà đ ểi n hình như hệ th ng WiMAX, HiperLAN, các h ố ệthống thông tin di động 4G, không chỉ đ òi h i một công nghệ đ ềỏ i u chế tiến tiến

mà còn yêu cầu nh ng thu t toán cấp phát kênh mới, tối ưu hơn thay thế cho các ữ ậthuật toán cấp phát kênh tĩnh truyền thống K thu t c p phát kênh động DCA ỹ ậ ấkết hợp cùng với OFDM tạo nên sức mạnh cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng

rộng Ngày nay, trên thế giới các nhà khoa học cũng đang tập trung nghiên cứu

để tìm ra các thuật toán c p phát kênh tối ưấ u nh t, nhằm sử dụấ ng t i đố a ph tần ổ

sổ của các hệ thống truy nhập vô tuyến

Đề tài tốt nghi p cao h c: “Nghiên cứệ ọ u k thu t c p phát kênh động cho ỹ ậ ấ mạng tế bào sử dụ ng công ngh OFDM” trình bày nhữ ệ ng nét c bảơ n nh t c a ấ ủcông nghệ OFDM, những kỹ thu t cấp phát kênh ậ được sử dụng trong thông tin

vô tuyến, trong đ đó ó có các kỹ thuật cấp phát kênh động Ngoài ra, luận văn này

c ng ũ đề cập đến h th ng WiMAX, m t trong nh ng h th ng ng d ng m nh ệ ố ộ ữ ệ ố ứ ụ ạ

mẽ hai kỹ thuật này Phần quan trọng của đồ án là phần chúng tôi dành để giới thiệu một thuật toán cấp phát kênh động mới, thu t toán c p phát kênh động ậ ấphân tán dựa trên tín hiệu bận, và qua các kết quả mô ph ng trên h th ng ỏ ệ ốWiMAX chứng minh ưu đ ểi m của thuật toán này

Nội dung đồ án được chia làm bốn chương: Ch ng 1 trình bày những đặc ươ

đ ểi m k thu t, nguyên lý c b n nh t c a h th ng OFDM; Chương 2 đề c p đến ỹ ậ ơ ả ấ ủ ệ ố ậcác kỹ thu t cấp phát kênh trong hệậ th ng thông tin vô tuy n; Chương 3 gi i ố ế ớthiệu về hệ thống WiMAX, những đặc đ ểi m kỹ thuật liên quan Chương 4, chúng tôi giới thiệu thuật toán cấp phát kênh động dựa trên tín hiệu bận và thực hiện

mô phỏng trên hệ thống sử ụ d ng OFDM, hệ ống WiMAX th

Trang 4

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU i

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 1

1.1 GI I THIỚ ỆU 1

1.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG OFDM 1

1.2.1 Định nghĩa hệ thống OFDM 1

1.2.2 Các đặc đ ểi m hệ thống OFDM 2

1.2.3 Cấu trúc chức năng hệ ống OFDM 3 th 1.2.4 Một số ệ h thống sử ụ d ng OFDM 5

1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 10

1.3.1 Khái niệm toán học 10

1.3.2 Đ ềi u chế đ a sóng mang trên nguyên tắc trực giao 12

1.3.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM 21

1.3.4 Xử lý tín hiệu số OFDM 25

1.4 MỘT SỐ Ấ V N ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM 32

1.4.1 Nhiễu giao thoa ký tự ISI và sóng mang ICI 32

1.4.2 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ 33

1.4.3 Cửa sổ công suất 36

1.4.4 Vấn đề công su t ấ đỉnh 37

1.4.5 Các kỹ thuật gi m PARP : 37ả 1.5 KẾT LUẬN 38

Trang 5

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN 39

2.2 TỔNG QUAN VỀ Ấ C P PHÁT KÊNH 39

2.3 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH 42

2.3.1 Ma trận cấp phát kênh 42

2.3.2 Cấp phát kênh Phân tán - Không thực hi n o 45ệ đ 2.3.3 Cấp phát kênh Tập trung - Không thực hiệ đn o 51

2.3.4 Cấp phát kênh Phân tán - Có thực hiệ đn o 60

2.3.5 Cấp phát kênh Tập trung - Có thực hiệ đn o 71

2.4 KẾT LUẬN 75

CHƯƠNG 3: NHỮNG ĐẶ Đ ỂC I M KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 76 3.1 GI I THIỚ ỆU 76

3.2 MÔ TẢ Ệ H THỐNG WIMAX 76

3.2.1 Giới thiệu chung về ệ h thống 76

3.2.2 Dịch vụ trên mạng WiMAX 78

3.3 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX 80

3.4 ĐẶC Đ ỂI M KỸ THUẬT CỦA WIMAX 83

3.4.1 OFDM 83

3.4.2 Kênh con hoá dải t n sầ ố 84

3.4.3 Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định 85

3.4.4 Phân tập thu phát 85

3.4.5 Đ ềi u chế thích nghi 86

3.4.6 Các kỹ thuật sửa lỗi trước 86

3.4.7 Đ ềi u khiển công su t 87ấ 3.5 KẾT LUẬN 87

Trang 6

CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG TRÊN HỆ TH NG WIMAX 88Ố

4.2 MÔ PHỎNG KÊNH VÔ TUYẾN 88

4.2.1 Bài toán kênh vô tuyến 89

4.2.2 Kết qu mô phỏng kênh vô tuyến 91ả 4.2.3 Nhận xét kết qu mô phỏng 92ả 4.3 THUẬT TOÁN CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG 92

4.3.1 Giới thiệu thuật toán 92

4.3.2 Ấn định khe thời gian phân tán sử dụng tín hiệu bận 95

4.3.3 Cấp phát kênh dựa trên công suất nhiễu thu được 99

4.3.4 Mô hình hệ thống 100

4.3.5 Kết qu mô phỏng 101ả 4.3.6 Nhận xét kết qu mô phỏng 103ả 4.4 KẾT LUẬN 104

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 108

PHỤ LỤC A – CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG KÊNH VÔ TUYẾN 108

PHỤ LỤC B - M T S HÀM QUAN TR NG TRONG CHƯƠNG TRÌNH Ộ Ố Ọ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN DCA 112

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 : Sơ đồ h thống OFDM đ ểệ i n hình 3Hình 1-2 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền 14Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống a sóng mang 15đHình 1-4 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống i u chế đđ ề a sóng mang 16Hình 1-5 Phổ ấ t n số giữa các kênh con trong đ ềi u chế đ a sóng mang 16Hình 1-6 Minh họa tập sóng mang trực giao trong m t chu k tín hi u 17ộ ỳ ệHình 1-7 Nguyên tắc đ ềi u ch OFDM 18ếHình 1-8 Mật độ ph n ng lượng của tín hiệu OFDM 19ổ ăHình 1-9 (a) Biên độ phổ ủ c a tín hiệu trên kênh con 19Hình 1-10 Đ ạo n b o vả ệ trong ký tự OFDM 20Hình 1-11 Sơ đồ khối hệ ống truyền dẫn OFDM với N sóng mang 22 thHình 1-12 So sánh sơ đồ kh i chức năng phía phát đ ềố i u chế OFDM vơi hai phương pháp xử lý tín hiệu 28Hình 1-13 Đ ạo n b o vả ệ chặn trước với chiều dài μ 29Hình 1-14 Vòng bảo vệ ch n trước trong xử lý số 31ặHình 1-15 Các sóng mang con trực giao trong miền t n sầ ố 32Hình 1-16 Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM h thống OFDM 64 sóng mang con ệvới trễ truyền nhỏ hơn th i gian b o v và không tri n khai b cân b ng t i máy ờ ả ệ ể ộ ằ ạthu 34Hình 1-17 Lược đồ mã hoá tín hiệu 35Hình 1-18 Lược đồ mã hoá tín hiệu 35Hình 1-19 Cửa sổ công su t 36ấHình 2-1 Ví dụ ề ộ v m t m ng tạ ế bào với 3 cell v i mớ ột giải pháp cấp phát kênh 41Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh 44

Trang 8

Hình 2-3 Cấp phát kênh trong một mạng có phân bố ư l u lượng thống nhất 47

Hình 2-4 Các cell con trong mô hình phân chia tái sử ụ d ng 48

Hình 2-5 Sắp xếp khe thời gian trong SRA 50

Hình 2-6 Nghẽn cuộc gọi tại b2 52

Hình 2-7 Những cell nằm trong tầm nh hưởng Nả I(bj) và những cell đồng kênh gần nhất của bj, NCo(bj) 54

Hình 2-8 Microcell và Macrocell trong hệ thống tế bào phân cấp 73

Hình 2-9 Sắp xếp các khe thời gian ESRA trong một cell 74

Hình 3-1 Mô hình một hệ thống WiMAX 77

Hình 3-2 Triển khai dịch vụ trên hệ thống WiMAX 79

Hình 3-3 Môi trưòng truyền sóng LOS 80

Hình 3-4 Môi trường truyền sóng NLOS 81

Hình 3-5 V trị ị ắ l p đặt CPE trong môi trường NLOS 82

Hình 3-6 Sóng mang đơn kênh và sóng mang OFDM 84

Hình 3-7 Kênh con hoá dải tần 85

Hình 3-8 Kỹ thuậ đ ềt i u ch và bán kinh cell 86ế Hình 4-1 SER của hệ thống WiMAX trong trường hợp có và không có khoảng bảo vệ 91

Hình 4-2 SER của hệ thống WiMAX trong trường hợp kênh biến đổi và không bi n ế đổi theo thời gian 91

Hình 4-3 Nhiễ đu a truy nhập 93

Hình 4-4 Lưu đồ thu t toán DCA phân tán 94ậ Hình 4-5 Hệ thống WiMAX với hệ ố s tái sử ụ d ng bằng 100% 95

Hình 4-6 Cấu trúc của một khe thời gian cho mạng OFDM/TDMA TDD 96

Hình 4-7 Công suất tín hiệu bận thu được 96

Hình 4-8 Nhiễ đu a truy nhập trong hệ thống WiMAX 97

Trang 9

Hình 4-9 Cấu trúc khung của phía phát và phía thu sử ụ d ng busy tone 98Hình 4-10 Thông lượng của hệ thống với các mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr

= - 60 dBm 101Hình 4-11 Thông lượng của hệ thống với các mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr

= - 70 dBm 102

Trang 10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB 7

Bảng 1.2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T 8

Bảng 1.3 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN 9

Bảng 1.4 Một số tham số vật lý của HiperLAN 2 và 802.11a 9

Bảng 4.1 Tham số kênh đa đường 89

Trang 11

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

4G Fourth Generation Mobile System

AAS Adaptive Antenna System

AMPS Advanced Mobile Phone System

ATM Asynchronous Transfer Mode

BDCL Borrowing with Directional Channel Locking

BFWAN Broadband Fixed Wireless Access Network

BLER Block Error Rates

BSC Base Station Controller

CPE Customer Premise Equipment

CS Channel Segregation - DCA

DAB Digital Audio Broadcasting

DCA Dynamic Channel Allocation/Assignment

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DFT Discrete Fourier Tranform

DSL Digital Subscriber Line

DSP Digital Signal Processor

DVB Digital Video Broadcasting

FCA Fixed Channel Allocation/Assignment

FDMA Frequency Division Multiplex Access

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

FIC Fast Information Channel

Trang 12

HCA Hybrid Channel Allocation/Assignment

HCB Hybrid Channel Borrowing

HTA Highest Interference below Threshold Algorithm

ICI Inter-Channel Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI Inter-Symbol Interference

LAN Local Access Network

LCA Lowest Channel below Threshold Algorithm

LSWO Limited Search with Weight/priority Ordering

LTA Least Interference below Threshold Algorithm

MAC Medium Access Control

MAXMIN Fully centralised DCA that Maximises the Minimum SIR MCM Multi-Carrier Modulation

MIA Marginal Interference Algorithm

MRC Maximum Ratio Combining

MSC Main Service Channel

NA-LI Network Assisted Least Interfered

NA-TO Network Assisted DCA with Throughput Optimisation NLOS Non-Line of Sight

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PDA Personal Digital Assistant

Trang 13

PRMA Packet Reservation Multiple Access

PSK Phase Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RCA Random Channel Allocation

SCB Simple Channel Borrowing

SIR Signal to Interference Ratio

SNR Signal to Noise Ratio

SRA Staggered Resource Allocation

TDMA Time Division Multiplex Access

TSDP Two-Step Dynamic-Priority DCA

WCAR Weighted Carrier Ordering

WCHN Weighted Channel Ordering

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Access Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

Trang 14

HƯƠNG 1: HỆ THỐNG OFDM VÀ NGUYÊN TẮC

XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM

1.1 GIỚI THIỆU

Với mục đích tìm hiểu những đặc đ ểm cũng như nguyên lý chung về xử lý itín hiệu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), chương một của luận văn giới thiệu hệ thống OFDM và những nguyên tắc xử lý tín hi u OFDM ệPhần đầu tiên (mục 1.2) đề cập đến khái ni m v h th ng OFDM, đặc i m c a ệ ề ệ ố đ ể ủ

hệ thống cũng như từng kh i ch c n ng cố ứ ă ủa hệ thống OFDM Phần này cũng

đ ểi m qua ng d ng củứ ụ a OFDM trong m t s hệ ốộ ố th ng Nguyên t c x lý tín hi u ắ ử ệOFDM được trình bày ở phần tiếp theo, trong đó bao gồm c nguyên lý x lý ả ử

tương tự và nguyên lý xử lý số Một số vấn đề gắn liền với đặc đ ểm kỹ thuật của i

hệ thống OFDM sẽ được trình bày trong phần cuối của chương này

1.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG OFDM

1.2.1 Định nghĩ a h th ng OFDM ệ ố

Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng d liệu song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụữ ng các lu ng con ồnày để iđ ều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Cũng gi ng nhố ư hệ th ng a sóng mang thông thường, h thống OFDM ố đ ệphân chia dải tần công tác thành các băng t n con khác nhau cho đ ềầ i u chế, đặc

Trang 15

biệt tần số trung tâm của các băng con này tr c giao v i nhau v mặự ớ ề t toán h c, ọcho phép phổ tần của các b ng con có th chèn l n nhau làm t ng hi u qu sử ă ể ấ ă ệ ảdụng phổ tần mà không gây nhiễu [7]

Mặc dầu công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ trước trong hệ thống vô tuyến quân sự nhưng chỉ khi các công nghệ xử lý tín hi u phát ệtriển, đặc biệt với việ đề xuất sử dục ng các thu t toán FFT/IFFT cho i u ậ đ ềchế/giải đ ềi u chế tín hiệu đa sóng mang, thuật toán chèn khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá ISI và ICI, mã hoá hiệu ch nh l i trước FEC ã em đến nhi u ng ỉ ỗ đ đ ề ứdụng của hệ thống OFDM như DAB, DVB và đặc biệt trong những năm gần

đây, vi c áp d ng OFDM cho các h th ng Wireless LAN thu được nhiều thành ệ ụ ệ ốtựu Công nghệ OFDM được sử dụng làm c sở tầơ ng v t lý PHY trong các tiêu ậchuẩn IEEE 802.11a ở Bắc M và HIPERLAN/2 châu Âu, được xem xét cho ỹ ởcác tiêu chuẩn IEEE 802.11g và WLAN 802.16 OFDM hứa h n s là chu n ẹ ẽ ẩtruyền thông vô tuyến trong mạng 4G nhằm hỗ trợ các dịch vụ tốc độ cao lên đến 54 Mbps

1.2.2 Các đặc đ ể i m hệ thống OFDM

Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng được tách ở máy thu mà không bị nhi u của sóng mang khác, hạn chế suy ễhao do kênh truyền dẫn vô tuyến Suy hao quan trọng nhất là hiệ ượng fading n t

do nhiều dạng tín hi u thu được tại anten thu Trong OFDM, fading chỉ ảệ nh hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như toàn bộ các sóng mang con băng

hẹp cùng với thông tin được đ ều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo i

chất lượng qua các kênh vô tuyến

Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần

số Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường ây là lý do chính khi n Đ ếOFDM được sử dụng trong các h thống quảng bá như DAB quảng bá âm thanh ệ

Trang 16

số và DVB quảng bá truyền hình số mặt đất c a ETSI c ng nh được đề xu t ủ ũ ư ấcho các tiêu chuẩn WLAN như ETSI HiperLAN2, WLAN 802.11

Công nghệ OFDM giải quyết h u hầ ết các vấn đề của c FDMA và TDMA ảOFDM chia băng tần khả dụng thành nhi u kênh b ng h p, các sóng mang cho ề ă ẹmỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó

tốc độ ký tự thấp, đ ều này làm tín hiệu chịu đựi ng được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễ truy n a ề đ đường phả ấ ới r t l n m i gây giao thoa ký t ISI áng k ớ ự đ ể(khoảng trên 100μS) [7][4]

Hình 1-1 : Sơ đồ h th ệ ống OFDM đ ể i n hình

1.2.3.1 Khố i bi n đổi nố ế i ti p sang song song ế

Luồng s liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2 ốbít/từ cho QPSK) và chuyển thành dạng song song Dữ liệu được phát song song

bằng cách gán mỗi từ cho một sóng mang để đ ều chế tín hiệu i

Trang 17

1.2.3.2 Khối điều chế

Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hoá vi sai và đ ềi u chế mã PSK Vì tín hiệu mã hoá vi sai yêu cầu pha tham chi u ban đầu nên mộế t kí hi u ệđược bổ xung vào đầu chu i D li u trên mỗi kí hiệu sau đó được gắn với một ỗ ữ ệgóc pha nhất định d a theo phương thứ đ ềự c i u chế Sử dụng PSK t o ra m t tín ạ ộ

hiệu biên độ không đổi và đơn giả đển giảm các v n biến i pha do fading ấ đề đổ

1.2.3.3 Khố i bi n đổi Fourier ngược ế

Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biế đổi Fourier để tìm n dạng sóng thời gian tương ứng Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho i u ch và gi i i u ch các chùm tín đ ề ế ả đ ề ếhiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ đ ề i u chế và giải đ ềi u chế I/Q yêu cầu

Thông thường, N được lấy là một luỹ thừa nguyên của 2, cho phép ứng dụng các thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả cao hơn cho

đ ềi u ch và gi i i u ch ế ả đ ề ế

1.2.3.4 Khối chèn khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi kí hiệu, gồm 2 phần : một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng c a tín hiệu phát, đ ềủ i u này cho phép

dễ dàng khôi phục định thời kí hiệu nhờ tách sóng đường bao

Độ dài khoảng b o v GI c n vượt quá tr gia t ng l n nh t c a kênh nhi u ả ệ ầ ễ ă ớ ấ ủ ễ

đa đường, GI được lo i b tại máy thu ạ ỏ

Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 tới 1/4 thời gian ký tự, làm giảm SNR tới 0.5–1 dB

Sau khi chèn khoảng b o vả ệ, tín hiệu được biế đổn i trở lạ ại d ng n i ti p là ố ếtín hiệu b ng gă ốc trong truyền dẫn OFDM

Trang 18

1.2.3.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, mô hình cho phép đ ềi u khiển tỉ số tín hi u trên t p âm SNR, nhi u a đường và c t công su t đỉnh SNR ệ ạ ễ đ ắ ấđược lập b ng cách thêm mộ ốằ t s lượng nhiễu tr ng ã bi t vào tín hi u, tr a ắ đ ế ệ ễ đđường được mô tả bằng b lọộ c FIR, độ dài c a b lọủ ộ c tương ng v i độ tr lớn ứ ớ ễ

nhất trong khi hệ số biên độ ươ t ng ứng với lượng tín hiệu phản hồi

1.2.3.6 Máy thu

Máy thu về cơ bản ho t động ngược l i so v i máy phát, kho ng b o v ạ ạ ớ ả ả ệđược loạ ỏi b , bi n đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổế tín hi u g c phát Góc pha ệ ố

của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải

đ ềi u ch pha thu được Các t số ệế ừ li u được k t h p tr lạế ợ ở i thành các t kích ừthước giống nhau như ban đầu

Đồng bộ là m t v n quan trọng trong thiế ếộ ấ đề t k để đạt m t máy thu OFDM ộtốt Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt u củđầ a ký t OFDM và để ng ự đồchỉnh các tần số dao động nội của các bộ đ ề i u chế và giải đ ềi u chế

Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được th c hi n đủ chính xác thì ự ệ

dẫn đến m t tính tr c giao củấ ự a các sóng mang con do nhi u ISI và ICI ễ

Kỹ thuật đ ều chế OFDM bắt u i đầ được ứng dụng rộng rãi trong những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ XX S kế ợự t h p c a k thu t x lý s cùng v i k ủ ỹ ậ ử ố ớ ỹthuật vi đ ệi n tử tạo được các vi m ch DSP có kh năạ ả ng tính toán nhanh giúp t o ạtín hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả Nh vậờ y k thu t i u ch OFDM được ỹ ậ đ ề ế

ứng d ng trong nhi u h th ng thông tin khác nhau nh : h th ng phát thanh số ụ ề ệ ố ư ệ ố(DAB), hệ thống truyền hình số ặ m t đất (DVB-T), m ng LAN không dây…[12] ạ

1.2.4.1 Phát thanh quảng bá số (DAB)

DAB (Digital Audio Broadcasting) là chuẩn truyền dẫn số mới, được phát triển bởi dự án Eureka147, đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế

Trang 19

giới DAB có thể đ em đến cho người nghe tín hiệu không có nhiễu, âm thanh chất lượng cao, dễ dàng trong sử dụng và không h n ch kh năạ ế ả ng m rộng ởmạng thông qua việc phát triển các trạm phát, phát tri n các d ch v mới ể ị ụ

DAB tuy mới là mạng phát thanh quảng bá mặt đất nh ng có thể mở rộng ưthành mạng phát thanh qu ng bá qua vả ệ tinh trong tương lai Chúng ta có thể

nh n ậ được chất lượng chương trình radio tương đương chất lượng chương trình trong đĩa CD trên xe hơi chỉ với m t chi c anten vô hướng nh DAB h tr ộ ế ỏ ỗ ợtruyền dẫn đa mục đích, ngoài khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được

ảnh text, d li u, th m chí cả hình ảnh Hãy tưởng tượng vừa nghe nhạc vừa xem ữ ệ ậlời bài hát cùng một lúc, đồng thời cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình thời tiết trong ngày Không cần đọc bản đồ để tìm đường vì h th ng có th cung ệ ố ểcấp đường đi gần nhất, trạng thái của các trạm gửi xe và tình hình giao thông trong thành phố Nếu chiếc xe là một trạm làm việc lưu động người dùng cũng

có thể truy cập internet thông qua DAB radio

Tín hiệu của các dịch vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất của các nguồn tin, mã hóa chống lỗi và mã hóa kênh Sau đó các dịch v được ụghép kênh trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Channel) Tín hiệu ra khỏi MSC được liên kết với tín hiệ đ ều i u khiển ghép kênh và tín hiệu đồng bộ dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC), để tạo d ng khung truy n trong b ạ ề ộghép kênh Cuối cùng OFDM được sử dụng để tạo d ng tín hi u DAB g m m t ạ ệ ồ ộ

số lượng lớn các sóng mang Tín hi u truy n i xa b ng sóng vô tuy n i n cao ệ ề đ ằ ế đ ệ

tần bằng các phương pháp đ ều chế thông thường i

Hiện nay trên thế giới có khoảng 300 nghìn người sử ụ d ng hơn 600 dịch vụ của DAB Máy thu tín hiệu DAB đã được thương mại hóa từ mùa hè năm 1998, cho đến nay đã có khoảng 80 loại khác nhau Toàn bộ tín hiệu DAB được lựa chọn bởi lựa chọn tín hiệu tương tự (bộ lọc tương t ), tín hi u sau khi gi i i u ự ệ ả đ ề

chế cao tần đượ đưa qua giải mã OFDM và giải mã hóa kênh để thu được thông c tin dạng tín hiệu số Những thông tin trong kênh FIC được đưa tới giao diện

Trang 20

người sử dụng cho phép l a ch n các d ch v và các đường d li u tương ng ự ọ ị ụ ữ ệ ứ

Dữ liệu trong kênh dữ liệu chính (MSC) được xử lý trong bộ giải mã Audio để tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải hoặc trong bộ giải mã d liữ ệu để tách thành các đường dữ liệu tương thích

Hệ thống DAB có 3 kiểu khác nhau với số lượng sóng mang trong đ ềi u ch ếOFDM khác nhau Mode 1 được ứng dụng truyền với khoảng cách xa, ít vật cản, Mode 2 và Mode3 dùng trong khoảng cách ngắn, có nhiều chướng ngại vật, nhiễu lớn [12]

Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB

Các chuẩn về truyền hình số ặ m t đất (DVB) bắ đầ được khở động từ ăt u i n m

1993 DVB hệ thống truyền dẫn dựa trên nề ảng chuẩn MPEG2, một phương n tthức nén âm thanh và hình ảnh chất lương cao DVB ra đời thúc đẩy sự thay thế các chuẩn truyền hình tương tự, nó cung cấp đường truyền lý tưởng cho các dịch

vụ âm thanh, hình ảnh và data Chuẩn DVB chỉ ra các giao thức được ng dụng ứtrong các môi trường truyền dẫn khác nhau như vệ tinh (DVB-S), cáp (DVB-C), mặt đất (DVB-T) Lớp vật lý của các chuẩn này đều nhằm đạ ớt t i mục tiêu tối u ưhóa kênh truyền Truyền hình vệ tinh s dụử ng đơn sóng mang dùng i u ch đ ề ếQPSK cho phép dịch tần Doppler lớn, và cho hiệu suất sử dụng n ng lượng cao ă

Trang 21

Nhưng kiểu truyền này không thích hợp v i truyớ ền dẫn mặt đất bởi nhiễu đa đường làm giảm t c độ truy n đơn sóng mang OFDM ố ề được sử dụng trong chuẩn truyền dẫn mắt đất c a DVB (DVB-T) DVB-T có hai ki u truy n d n ủ ể ề ẫkhác nhau về ố s sóng mang sử ụ d ng

Bảng 1.2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T

Mạng LAN không dây thế hệ ứ th nh t ho t động d a trên nh ng giao th c ấ ạ ự ữ ứ

đóng độc quy n c a m i nhà s n xu t thi t b Ph n l n các thi t b đều ho t ề ủ ỗ ả ấ ế ị ầ ớ ế ị ạđộng trong dải thông t n 26 MHz t i băầ ạ ng t n 900MHz và s dụầ ử ng k thu t tr i ỹ ậ ả

phổ, tốc độ cho phép đạ được từ 1-2Mbps Sự thiếu chuẩn hóa trong các sản t phẩm tạo nên chi phí phát triển s n phả ẩm cao, khả năng m r ng h n ch và một ở ộ ạ ếthị trường nhở hẹp cho các s n ph m đơn l Do ó có r t ít các nhà s n xu t thu ả ẩ ẻ đ ấ ả ấđược thành công

Tại Mỹ, các thiết bị mạng LAN không dây th h th hai được ch tạo theo ế ệ ứ ếchuẩn 802.11b hoạt động tại băng tần 2,4GHz với dải thông tần 80MHz Theo chuẩn này khuyến nghị dùng kỹ thuật tr i ph , t c độ trong m ng đạt 1,6Mps (lý ả ổ ố ạ

Trang 22

t ng ưở đạt 11Mps), khoảng cách tối đa là 150m Chuẩn thứ hai trong họ chuẩn 802.11 là chuẩn 802.11a được phát triển để có kh n ng hoạả ă t động t i tốc độ cao ạhơn chuẩn 802.11b Trong chuẩn khuyến nghị dả ầi t n ho t động là 300MHz t i ạ ạbăng tần 5GHz, sử dụng k thu t i u ch a sóng mang, t c độ có th đạ đựỹ ậ đ ề ế đ ố ể t oc

từ 20-70Mps Một chuẩn khác là 802.11g cũng khuy n ngh sử dụế ị ng k thu t ỹ ậ

đ ềi u ch a sóng mang, cho phép s dụế đ ử ng t i hai b ng 2,4GHz và 5GHz t c độ ạ ă ốcho phép lên tới 54Mps

Bảng 1.3 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN

11

5 CSMA/CA

802.11a 5,2 GHz OFDM

54

32

HiperLAN 2 5,2 GHz OFDM

54

32 TDMA/TDD

Tại Châu Âu, mạng LAN không dây được phát triên dựa theo chuẩn HIPERLAN (high performance radio LAN) Chuẩn HIPERLAN1 cũng tương t ự

như chuẩn 802.11a cho phép tốc độ đạ được 20 Mps với khoảng cách nhỏ hơn t 50m Chuẩn HIPERLAN2 cho phép đạt được tốc độ cao hơn lên tới 54Mps đồng thời hộ trợ các giao thức cho phép truy nhập tới mạng di động, mạng ATM, mạng IP

Bả ng 1.4 M t s tham s v t lý c a HiperLAN 2 và 802.11a ộ ố ố ậ ủ

Băng thông kênh

Kênh mang data

Kênh mang dẫn đương

20 MHz

48

4

Trang 23

Băng thông kênh con

Chiều dài ký tự có ích

Chiều dài đ ạo n bảo vệ

Kỹ thuật đ ều chếi

312,5 kHz 3,2

0,8 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Đ ểi m khác nhau chính c a IEEE 802.11a và HIPERLAN2 là trong ph n ủ ầ

đ ềi u khi n truy nh p kênh truy n (MAC) Chu n IEEE 802.11a s dụng MAC ể ậ ề ẩ ửdựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập sóng mang thông minh có ngăn chặn xung đột (CSMA/CA) Trong khi đó HIPERLAN/2 sử dụng MAC được xây

dựng trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian kèm chỉ đị nh khe động (TDMA/DSA)

thể thỏa mãn mục đích trên hệ thống thông tin di động 4G cần phải có một phương thức đ ềi u chế mới Trong s các phương pháp i u ch ã được nghiên ố đ ề ế đ

cứu, OFDM nổi nên với những ưu đ ểm như hiệu suất sử ụi d ng b ng t n cao, kh ă ầ ảnăng chống nhiễu tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT OFDM được chọn là phương pháp đ ềi u chế cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư [7]

1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM

1.3.1 Khái niệm toán học

Cho một tập các hàm số {f n (t), với n=1, 2, 3…,k}, các hàm số được gọi là

trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn đ ềi u kiện sau:

Trang 24

0

Tập hàm thỏa mãn đ ều kiện trên gọi i là t p hàm tr c giao Nếậ ự u k = 1 h ọhàm đã cho không chỉ trực giao mà còn trực chuẩn Nghĩa là tích phân của bình

phương mỗi hàm đều bằng đơn vị Trực giao có ý nghĩa là các hàm số này không

ảnh hưởng l n nhau hay không gây nhi u lên nhau gi a chúng không có mối ẫ ễ ữquan hệ ràng buộc hay phụ thu c Mộ ố tậộ t s p tín hi u tr c giao nh tập hai hàm ệ ự ưsin(ωt), và cos(ωt)

Một tín hiệu s(t) có thể được bi u di n dưới d ng m t dãy hàm trựể ễ ạ ộ c chu n ẩ

s

1

"

(CT- 1.2)

với s k là hệ số trong phép x p x tín hi u s(t) Sai s do phép thay th tín ấ ỉ ệ ố ế

hiệu s(t) bằng một tập các giá trị s k là e(t) = s(t) – s”(t) Các hệ số s k phải được chọn sao cho năng lượng của tín hiệu sai số εe là nhỏ nhất

( ) ( )

( )t s f ( )t dt s

dt t s t s

N

k

k k

(CT- 1.3)

Theo lý thuyết phân tích dựa trên tiêu chuẩn bình phương sai số thì giá tr ịnhỏ nhất của εe với chuỗi {sk} khi sai số là trực giao với mỗi hàm trong chu i ã ỗ đcho

Trang 25

( ) ( )t f t dt s

s n +∞∫ n n

∞

−

= với n = 1, 2, …,N (CT- 1.5) Giá trị nhỏ nhất của sai số bình phương là

( ) ( ) ( )

N

k

k k

s

dt t s t f s dt

t s

dt t s t e

1 2

s

Việc biểu di n tín hiệu bằễ ng t ng tuyến tính của một chuỗi hàm trực giao ổ

có thể dùng để phân tích các đặc đ ểi m tính chất, khả năng ch ng nhi u củố ễ a d ng ạtín hiệ đu ó với kênh truyền… Nhưng c ng có thể dùng kết quả đũ ó để tổng h p ợđược tín hiệu c n truy n t các tậầ ề ừ p tín hi u đơn gi n tr c giao v i nhau, tín hi u ệ ả ự ớ ệthu được giữ được các tính chất ch ng nhi u, đồng th i các thành ph n con ố ễ ờ ầkhông gây nhiễu lên nhau trong tín hiệu tổng

1.3.2 Đ ề i u ch a sóng mang trên nguyên t c tr c giao ế đ ắ ự

1.3.2.1 Đ ề i u ch a sóng mang ế đ

Dạng đơn giản nhất của đ ều chế đa sóng mang, dữ liệu được chia thành inhiều luồng nhỏ để truyền qua các kênh con trực giao với nhau tại các tần số sóng mang khác nhau Số lượng sóng mang được lựa ch n sao cho độ dài ký t ọ ựtại các kênh con lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của m i kênh con hay b ng ỗ ăthông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhi u băng thông liên kết của kênh truyền ề

Trang 26

Đ ềi u ki n ó ng n ch n nhi u giao thoa gi a các ký t trong mỗi kênh truyền ệ đ ă ặ ễ ữ ựcon

Trên Hình 1-2 minh họa hiệu quả của ch ng nhi u ISI trong h th ng i u ố ễ ệ ố đ ềchế đ a sóng mang Với cùng tốc độ cần truyền, khi số ượng sóng mang tăng làm lgiảm tốc độ dữ ệ li u trên m i kênh truy n và t ng độ dài c a m i ký t i u ó ỗ ề ă ủ ỗ ự Đ ề đ

có nghĩa là tỉ số nhi u (ISI) trên mỗễ i ký t sẽự gi m nh khi mà s lượng sóng ả ỏ ốmang t ng Vă ới hệ th ng đơn sóng mang, áp ng c a các bit b ch ng l n lên ố đ ứ ủ ị ồ ấnhau, nhi u ISI lễ ớn

Cho một hệ thống i u chếđ ề tuy n tính có tốc độế truyền R và băng thông B

Giả sử kênh truy n là kênh Fading l a ch n, t c là b ng thông liên k t kênh ề ự ọ ứ ă ế

truyền (B c) nhỏ hơn b ng thông c a h th ng (Bă ủ ệ ố c <B) Băng thông c a h th ng ủ ệ ốđược chia nhỏ thành N kênh truy n con, mỗể i kênh truy n con có b ng thông Bề ă N

= B/N << B c , cho phép ngăn ch n nhi u fading trên mỗi kênh con Tương ng ặ ễ ứtrên miền thời gian TN ≈ 1/BN >> 1/BC ≈ Tm với Tm là thời gian trễ của kênh truyền Do vậy nếu N càng lớn thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh truyền nên ngăn chặn nhiễu ISI trong kênh truyền

Trang 27

Hình 1-2 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền

Tín hiệ đ ều i u chế đa sóng mang được tạo ra bởi h thệ ống (Hình 1-3), dữ liệu gồm N đường khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có h s để sửệ ố β a d ng ạ

Trang 28

tín hiệu thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BN vớ βi là h số ủệ c a xung Tín hi u i u ệ đ ềchế kết hợp của tất cả các kênh con được cộng lại để tạo dạng tín hi u phát s(t) ệ

N

i

i i i

i t s g t f t

trong đó si là ký tự cần truy n trên sóng mang th i, ề ứ φi là sai pha của sóng mang thứ i, sóng mang th i có tứ ần số f i = f 0 + i.B N với i = 0, 1, 2,…, N-1

Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang

Khối mapper là khối chuy n ể đổi tương ứng m t chuỗộ i bít thành ký t phức, ựkhối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi nh QAM, QPSK, … ư

Bộ thu cho kiểu đ ều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện nhưiHình 1-4 Tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền được cho qua các bộ lọc để tách ra tín hi u tương ng trong t ng kênh con khác ệ ứ ừnhau Sau đó gi i i u chế từả đ ề ng kênh con v i các sóng mang tương ng và ánh ớ ứ

xạ ngược các ký tự thu được để thu được chuỗi bit của từng kênh truyền Bộchuyển đổi nối tiếp song song liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại dạng dữ liệu ban đầu

Trang 29

Hình 1-4 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống đ ề i u ch a sóng mang ế đ

Xung sửa dạng b giới hạn nên băng thông cần thiết cho mỗi kênh con cần ị

mở rộng thêm m t lượng là ộ ε T N Vì thế băng thông c n thi t cho m i kênh con ầ ế ỗ

là (1 + +β ε ) T N và băng thông tổng cần thiết cho cả ệ h thống N sóng mang là:

Hình 1-5 Phổ ấ t n số giữa các kênh con trong đ ềi u ch a sóng mang ế đ

Hệ thống iđ ều chế đa sóng mang minh họa như trên có cách xử lý tín hiệu

đ ềi u ch a sóng mang m t cách đơn gi n và đầy đủ i u ch a sóng mang ế đ ộ ả Đ ề ế đđược ứng d ng trong các h th ng thông tin băụ ệ ố ng r ng t i ó b ng t n dành cho ộ ạ đ ă ầ

hệ thống lớn (cỡ chục MHz) nên khi đó hàm truyền đạt c a toàn b kênh truy n ủ ộ ề

phụ thuộc vào tần số, việc khôi phục hàm truyề đạt sẽ rấn t ph c t p Khi ng ứ ạ ứ

Trang 30

dụng đ ều chế đa sóng mang thì các kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn nên i

có thể coi như hàm truyền đạt của từng kênh con không phụ thuộc vào tần số Trong khoảng thời gian giữa hai lần đánh giá kênh truyền có thể coi như hàm truyền đạt không đổi, hàm truyề đạt vừa không phụn thu c tần số vừộ a b t bi n ấ ếtheo thời gian, rất dễ dàng khôi phục tín hiệu

1.3.2.2 Đ ề i u ch a sóng mang trực giao (OFDM) ế đ

Đ ềi u ch a sóng mang tr c giao gi ng nh i u ch a sóng mang ch ế đ ự ố ư đ ề ế đ ỉkhác tập các sóng mang trong đ ềi u chế đ a sóng mang tr c giao (OFDM) là t p ự ậgồm các sóng mang trực giao với nhau T p các sóng mang trựậ c giao được l a ựchọn trong đ ềi u chế OFDM là

0

os 2 0<t<T k =1,2, ,N víi t cßn l¹i

Với f 0 là khoảng cách gi a các sóng mang, và T là độ dài c a ký t OFDM ữ ủ ự

Hình 1-6 Minh họa tậ p sóng mang tr c giao trong một chu k tín hi ự ỳ ệu

Trang 31

Hình 1-7 Nguyên tắ đ ề c i u ch OFDM ế

Tín hiệu OFDM được tạo ra giống như cách tạo các tín hiệ đ ều i u chế thông thường Mỗi sóng mang bị đ ề i u ch b i s ph c Xế ở ố ứ n,m lấy từ ập các số phức trong tphép ánh xạ đ a mức QAM, QPSK … của dữ liệu đầu vào Ch s m cho biết thứ ỉ ố

tự của toàn b ký t OFDM theo th i gian, m có thể nh n bộ ự ờ ậ ất kỳ giá trị nguyên nào Chỉ ố s n cho biế đt ó là sóng mang th n trong t p N sóng mang (n =1, 2, …, ứ ậN) hay chỉ số của ký t dữ ệự li u trong m t ký t OFDM M t ký t OFDM c n ộ ự ộ ự ầtruyền là tổng của N tín hiệu sóng mang con đã được đ ềi u chế

Nhờ các sóng mang trực giao với nhau nên giữa các kênh con cạnh nhau

có thể chồng phổ lên nhau mà không gây nhiễu gi a các kênh con v i nhau ữ ớ(ICI)

Trang 32

Hình 1-8 Mật độ phổ ă n ng l ượ ng c ủa tín hiệu OFDM

Trong phần 2.2.1 đã cho biết băng thông cần thiết cho mỗi kênh con trong

đ ềi u ch a sóng mang là ế đ (1+ +β ε ) T N Khác vớ đ ềi i u ch a sóng mang ế đthông thường, trong đ ềi u chế OFDM các thành phần mở rộng ph ổ ( β ε+ ) T N

của các kênh con sẽ không ảnh hưởng tới băng thông của cả hệ ố th ng, ngo i tr ạ ừhai kênh con đầu tiên và cu i cùng Do vố ậy băng thông của cả ệ h thống là:

Hình 1-9 (a) Biên độ phổ ủ c a tín hi u trên kênh con ệ

(b) Biên độ phổ của tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang

1.3.2.3 Khoảng bảo vệ

Khái niệm khoảng b o vả ệ có ý nghĩa rất quan tr ng trong đ ềọ i u chế OFDM Các sóng mang trực giao với nhau ngăn chặn nhiễu giao thoa giữa các ký tự trong một kênh truyền và nhiễu xuyên giữa các kênh con với nhau Nhưng khi tín hiệu OFDM truyền đi trong kênh truyền vô tuyến do hiện tượng nhi u a ễ đ

Trang 33

đường tín hiệu truy n i không theo m t ề đ ộ đường truyền mà truyền theo nhiều đường truyền khác nhau v i th i gian truy n khác nhau Tín hiệu tại máy thu là ớ ờ ềtín hiệu tổng cộng nên có sự chồng l n lên nhau của các ký tự OFDM, gây giao ấthoa giữa các ký tự OFDM với nhau Các ký tự OFDM liên ti p nhau chồế ng l n ấlên nhau trong một khoảng đầu tiên c a mỗi ký tự Khắc phục hiện tượng này ủ

đ ạo n b o v được đặt trước m i ký tựả ệ ỗ OFDM để ch ng nhi u giao thoa c a ký t ố ễ ủ ựtrước không ảnh hưởng tới phần tin tức của ký tự sau Đ ạo n bảo vệ là phần copy

một đ ạn tín hiệu cuối của ký tự OFDM lên trước Đ ạn bảo vệ này có tên vòng o obảo vệ chặn trước (cyrle prefix) [7]

Hình 1-10 Đ ạ o n bảo vệ trong ký tự OFDM

Khoảng thời gian bảo vệ (Tg) phải thỏa mãn đ ềi u ki n Tệ g > τmax vớ τi max là thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền, hay chính là thời gian truyền

dẫn của đường truyền có chiều dài lớn nhất Trên hình cho ta thấy rằng nếu đ ều ikiện trên được thoả mãn thì phần tín hiệu có ích không bị ch ng l n b i tín hi u ồ ấ ở ệ

của ký tự trước Một câu hỏi đặt ra là tại sao phải phức tạp tạo đ ạn bảo vệ bằng ocách copy đ ạo n tín hiệu OFDM từ sau lên trước, câu trả lờ ằ ởi n m phương pháp

xử lý số tín hiệu OFDM

Thêm đ ạo n bảo vệ có thể ngăn chặn nhiễu xuyên ký tự (ISI) giữa các ký tự OFDM nhưng bên cạnh ó n ng lđ ă ượng dành cho phát đ ạo n bảo vệ là năng lượng

Trang 34

tổn hao năng lượng không dùng để truyền thông tin, giảm hiệu suất sử dụng

năng lượng Đây là đ ểm mâu thuẫi n gi a thêm và không thêm o n b o v , khi ữ đ ạ ả ệthiết kê cần cân nhắc lợi ích của đ ạo n bảo vệ

Giả sử các thông số ủ c a h th ng OFDM là N sóng mang, chi u dài m i ký ệ ố ề ỗ

tự OFDM là T (gồm cả đ ạn bảo vệ), và chiều dài đ ạn bảo vệ là T o o g, băng thông

của hệ thống W, khoảng cách giữa các sóng mang là f 0 =

N

W Tập các sóng mang củ đ ềa i u chế OFDM như biểu thức CT-1.10 , biểu di n dướ ạễ i d ng s phức ốnhư sau: e j f nt

T

0 2

1 0

víi 0 t T víi t cßn l¹i

j f n t Tg g

n

e

T T t

Trang 35

h(τ,t) Tín hiệu nh n được sau khi qua kênh truyền là tích chập trên miền thời ậgian củ đa áp ng xung kênh truyền và tín hiệu phát Với chú ý là độ dài kênh ứtruyền thỏa mãn điều kiện 0 ≤ τ ≤ T g ta có

h τ t x t τ τ η d t

với η(t) là hàm nhiễu theo thời gian, nhiễu trong kênh truyền giả sử là nhiễu

trắng

Hình 1-11 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM với N sóng mang

Tín hiệu thu tại phía thu được giả đ ềi ì u chế kênh con bằng cách cho qua các

bộ lọc có đặc tính ch n l c sóng mang thích h p, th c ch t là các sóng mang ọ ọ ợ ự ấ

Trang 36

được tạ ạo l i và nhân v i tín hi u nh n được D ng sóng c a tín hi u sóng mang ớ ệ ậ ạ ủ ệtạo bởi bên thu có dạng:

( ) 0

g víi T víi t cßn l¹i

* n n

' 0

2

2 0

g g

Trang 37

nhận thấy rằng phần trong ngoặc của biểu th c (CT-1.22) chính đáp ứng ứxung trên miền t n sầ ố của kênh truy n t i các t n s f = nề ạ ầ ố ’

f 0 = n ’ W N hay đó chính là biến đổi Fourier c a h(τ) Vậy tín hiủ ệu nhận được ng vứ ới từng kênh truyền có thể viết dưới dạng khác như sau:

' 0

hiệu nhậ được trong kênh thứ n rút gọn được thành n

' ' '

1

' 0

Trang 38

1.3.4 Xử lý tín hiệu số OFDM

Mặc dù đ ều chế đa sóng mang là tiền thân của OFDM đã được phát minh i

từ những năm 50 của thế kỷ 20 nh ng nh ng b i u ch và gi i i u ch cho ư ữ ộ đ ề ế ả đ ề ếmỗi kênh con quá phức tạp để có thể ự th c hi n được t i th i i m ó Kho ng 20 ệ ạ ờ đ ể đ ảnăm cuối của thế kỷ 20 công ngh tích hợ đệ p ã phát tri n m nh, s n xu t được ể ạ ả ấ

những vi mạch rẻ và đơn giản, thực hiện biế đổi DFT và IDFT Sự kế ợn t h p c a ủcông nghệ vi mạch với đ ềi u chế OFDM đã tạo nên bước phát triển mới cho OFDM

Trang 39

(CT- 1.28)

với [n-k]N là [n-k] mod N, x[n-k]N là phiên bản tuần hoàn của của x[n-k] với chu ký N Dễ dàng nhận thấy rằng y[n] nhận được trên cũng tuần hoàn với ởchu kỳ N Từ định nghĩa của DFT, phép tích chập vòng trong miền thời gian sẽ

là phép trong miền t n sầ ố

(CT- 1.29)

Tích chập vòng là khái niệm rất quan tr ng trong xử lý số tín hiệu OFDM ọ

nó giúp đưa ra cơ ở s lý luận và cách xử lý tín hiệu chuyển từ tích chập tuyến tính sang tích chập vòng giúp tránh trường mất mẫu khi chiều dài của chuỗi ra lớn hơn khả năng biểu diễn của DSP

1.3.4.2 Tạo tín hiệu OFDM bằng DFT

Tín hiệu OFDM là t ng của N tín hiệu sóng mang trên các kênh con có biên ổ

độ khác nhau, nhưng tấn số của các kênh con cách nhau m t kho ng đều đặn fộ ả 0

và tín hiệu OFDM thu được là tín hiệu được biểu di n trên miền thời gian Qua ễ

đó cho th y có s bi n đổi tín hi u t mi n t n s sang mi n th i gian i u này ấ ự ế ệ ừ ề ầ ố ề ờ đ ề

t ng ươ đương với chức năng của phép biến đổi IDFT vậy có thể dùng biến đổi IDFT như một công c để th c hi n i u ch tín hi u OFDM được không? Xem ụ ự ệ đ ề ế ệxét kỹ hơn ta th y các kênh con có khoảấ ng cách đề đặu n nhau, i u này gi ng đ ề ố

với tập N đ ểm X[k] trong dãy N đ ểi i m trên miền tần số Lập một tập gồm N

đ ểi m X[k] b ng cách thay X[k] = Xằ k,m với k = 1, 2, , N và m có giá tr không ị

đổi trong mỗi tập của X[k] Nế ấu l y m u tín hi u ó v i t n s lấẫ ệ đ ớ ấ ố y m u Tìm t p ẫ ậ

hợp x[n] gồm N đ ểm là kết quả của phép biến đổi IDFT của tập đ ểm X[k] i i

Trang 40

Tương ứng với mỗi tập X[k] này cho một ký tự OFDM (sm(t)) trong khoảng thời gian Ts

1

2 ,

lấy mẫu tín hiệu trên với tấn số lấy m u fẫ m = Nf 0 với f0 = 1T st ng ươ ứng ta

có chu kỳ lấy m u là tẫ m = 1 f m= T N s tín hiệu của một ký tự OFDM được biểu

diễn bởi

, 0

Tiêu đề	Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cấp Phát Kênh Động Cho Mạng Tế Bào Sử Dụng Công Nghệ OFDM
Tác giả	Nguyễn Trung Kiến
Người hướng dẫn	GS.TS. Trần Đức Hân, TS. Nguyễn Văn Đức
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Luận Văn Thạc Sỹ
Năm xuất bản	2005
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	6,32 MB