giới thiệu lý thuyết và mô phỏng ofdm

Bên cạnh đó các ứng dụngvà ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây.1.2 Giới thiệu về kỹ thuật OFDM:- OFDM là một kỹ thuật truyền tải tín hiệu số trong các hệ thống viễn th

GIỚI THIỆU, LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG OFDM

GIỚI THIỆU

Bài báo cáo này sẽ giới thiệu về các khái niệm, tính chất của OFDM Các kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây.

1.2 Giới thiệu về kỹ thuật OFDM:

- OFDM là một kỹ thuật truyền tải tín hiệu số trong các hệ thống viễn thông hiện đại.

- Đây là một trong những kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng băng thông sẵn có hiệu quả hơn so với FDM, bằng cách truyền tín hiệu số trên nhiều dải tần khác nhau.

- Điểm quan trọng của kỹ thuật này là chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau.

Hình 1.1 Dạng sóng của OFDM

OFDM là một kỹ thuật phức tạp, bao gồm nhiều khâu khác nhau Tuy nhiên, nó cho phép sử dụng băng thông sẵn có một cách hiệu quả hơn so với FDM Sau đây là các tính chất của OFDM:

- Hiệu quả cao: OFDM có thể truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một băng tần so với các kỹ thuật truyền tải khác vì OFDM chia tín hiệu thành các tín hiệu nhỏ hơn, mỗi tín hiệu có thể được truyền trên một tần số khác nhau.

- Khả năng chống nhiễu đa đường truyền tốt: OFDM có khả năng chống nhiễu đa đường truyền tốt hơn các kỹ thuật truyền tải khác OFDM truyền các tín hiệu trên các tần số khác nhau, khiến các tín hiệu này ít bị nhiễu lẫn nhau hơn.

- Dễ dàng lọc nhiễu: Nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số kế cận vẫn có thể được sử dụng mà không bị ảnh hưởng giúp dễ dàng lọc nhiễu hơn so với các kỹ thuật truyền tải khác.

- Linh hoạt: OFDM có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm truyền dữ liệu không dây, truyền hình vệ tinh và truyền hình cáp.

Tóm lại, OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn mạnh mẽ với các tính chất như khả năng chống nhiễu, hiệu suất cao và khả năng tương thích, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho việc triển khai các hệ thống truyền thông không dây hiện đại.

1.4 Tín hiệu trực giao của OFDM:

1.4.1 Thế nào là tín hiệu trực giao?

Xét về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ trực giao nhau,nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Phổ của tín hiệu OFDM được mô tả ở hình 1.2

Hình 1.2 Phổ của tín hiệu OFDM

Hình 1.2 cho thấy do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác Với kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT, ghép kênh phân chia theo tần số đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc giải thông mà bằng việc xử lý băng gốc.

Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các song mang trong hệ thống OFDM Các sóng mang được sắp xếp 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 Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ.

Trong OFDM, tín hiệu trực giao đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất truyền thông cao và khả năng chống nhiễu của hệ thống.

1.5 Sự khác biệt giữa OFDM và FDM:

- Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM): Đây là kỹ thuật ghép kênh được sử dụng trong hệ thống tương tự Trong FDM, cần có dải bảo vệ và hiệu suất phổ của FDM thấp Trong FDM, Băng thông (B) được dành riêng cho các nguồn khác nhau.

- Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM): Đây cũng là kỹ thuật ghép kênh được sử dụng trong hệ thống analog Trong OFDM, không cần có dải bảo vệ và hiệu suất phổ của OFDM cao, trái ngược với FDM Trong OFDM , Nguồn dữ liệu đơn sẽ gắn tất cả các kênh phụ.

Bảng 1: Sự khác nhau về tính chất giữa FDM và OFDM

Tính chất của tín hiệu Tín hiệu từ các nguồn khác nhau được chia thành các tín hiệu con trên các dải tần số khác nhau Các tín hiệu con này không cần phải trở lên độc lập.

Dữ liệu được chia thành các tín hiệu con trên một dải tần số rộng Các subcarrier là các tín hiệu đồng pha và có tần số khác nhau, nhưng chúng cần phải là vuông góc với nhau.

Hiệu suất và khả năng chống nhiễu

Trong FDM, nếu các tín hiệu con giao nhau (overlap) tại các dải tần số, có thể xảy ra hiện tượng nhiễu giữa các tín hiệu.

LÝ THUYẾT

2.1 Các kỹ thuật trong OFDM:

2.1.1 Mô hình truyền đơn sóng mang:

Hình 2.4 Mô hình hệ thống truyền thông băng gốc đơn sóng mang

Hình 2.1 thể hiện cấu hình end-to-end điển hình cho hệ thống truyền thông một sóng mang Hãy xem xét kênh giới hạn băng tần (ℎ𝑡) có băng thông W Các ký hiệu truyền { a n }, mỗi ký hiệu có chu kỳ ký hiệu là T giây, nghĩa là tốc độ dữ liệu = 1/ , được định dạng𝑅 𝑇 xung bởi bộ lọc truyền 𝑔𝑇(𝑡) trong máy phát Sau khi nhận được chúng qua kênh, chúng được xử lý bằng bộ lọc thu, bộ cân bằng và bộ dò trong máy thu Đặt 𝑔𝑇(𝑡 𝑔), 𝑅(𝑡) và (ℎ𝑡) lần lượt biểu thị đáp ứng xung của bộ lọc phát, bộ lọc thu và bộ cân bằng Đầu ra của bộ cân bằng có thể được biểu diễn dưới dạng. y(t)=∑ m=−∞

∞ a m g(t−mT)+z(t)(2.1) trong đó ) là nhiễu cộng và 𝑧(𝑡 𝑔(𝑡) là đáp ứng xung của toàn bộ hệ thống đầu cuối được cho là g(t)=g T (t)∗h(t)∗g R (t)∗h −1 (t)(2.2)

Bộ cân bằng được thiết kế để bù hiệu ứng của kênh Trong phần này, chúng ta chỉ giả định rằng hiệu ứng của kênh được bù hoàn hảo bằng bộ cân bằng như được đưa ra trong phương trình (2.2) Do đó, đáp ứng xung tổng thể chỉ phụ thuộc vào các bộ lọc truyền và nhận Khi bỏ qua thuật ngữ nhiễu, tín hiệu đầu ra được lấy mẫu của bộ cân bằng có thể được biểu thị dưới dạng. y(t)=∑ m=−∞

∞ a g m ((n−m)T)witht n =nT(2.3) Cô lập mẫu thứ n để phát hiện a n , phương trình (2.3) có thể được viết là: y(t)=a g n (0)+ ∑ m=−∞ , m ≠ n

Lưu ý rằng 𝑔(𝑡) không thể bị giới hạn thời gian do băng thông kênh hữu hạn Trong trường hợp g((n−m)T) ≠ 0 ∀ 𝑚 ≠ , số hạng thứ hai trong phương trình (2.4) vẫn là nhiễu𝑛 giữa các ký hiệu (ISI) đối với Trên thực tế, ISI được gây ra bởi vệt đáp ứng xung tổng𝑎𝑛 thể, có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống truyền thông kỹ thuật số Do đó, bộ lọc truyền và bộ lọc thu phải được thiết kế có chủ ý để giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn ISI trong hệ thống thực tế Hình 1.5 minh họa cách tạo ra ISI bởi vệt đáp ứng xung tổng thể trong máy thu Như được minh họa ở đây, phạm vi của ISI phụ thuộc vào khoảng thời gian của khoảng thời gian ký hiệu T: khoảng thời gian ký hiệu càng ngắn thì ảnh hưởng của ISI càng lớn. Điều này ngụ ý rằng trừ khi g((n−m)T)≠ 0 ∀ 𝑚 ≠ , ISI trở nên quan trọng khi tốc độ dữ liệu𝑛 tăng (tức là giảm T trong Hình 2.2) trong hệ thống đơn sóng mang.

Hình 2.5 Nhiễu bên trong Symbol (ISI) và chu kì Symbol

2.1.2 Mô hình truyền đa sóng mang:

Hình 2.6 Cấu trúc của hệ thống truyền dẫn đa kênh

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của hệ thống đa sóng mang Để khắc phục tính chọn lọc tần số của kênh băng rộng do truyền dẫn đơn sóng mang gặp phải, nhiều sóng mang có thể được sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao Hình 1.7 thể hiện cấu trúc và khái niệm cơ bản của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Ở đây, tín hiệu băng rộng được phân tích (thông qua nhiều bộ lọc băng hẹp 𝐻𝑘(𝑓)) thành nhiều tín hiệu băng hẹp tại máy phát và được tổng hợp (thông qua nhiều bộ lọc băng hẹp 𝐺𝑘(𝑓), mỗi tín hiệu được khớp với 𝐻𝑘(𝑓)) tại máy thu sao cho kênh băng rộng chọn lọc tần số có thể được phân tích được xấp xỉ bằng nhiều kênh băng hẹp phẳng tần số như mô tả trong Hình 1.8

Hình 2.8 Đáp ứng tần số của hệ thống truyền dẫn đa kênh

Lưu ý rằng tính không chọn lọc tần số của các kênh băng hẹp làm giảm độ phức tạp của bộ cân bằng cho từng kênh con Miễn là tính trực giao giữa các kênh con được duy trì, ICI (nhiễu giữa các sóng mang) có thể bị triệt tiêu, dẫn đến truyền dẫn không bị méo.

Hình 2.9 Đặc tính phổ của hệ thống đa sóng mang

Trong hệ thống đa kênh, hãy chia băng rộng thành N kênh con băng hẹp, có tần số sóng mang phụ , = 0, 1, 2, …, − 1 Hình 1.7 cho thấy cấu trúc cơ bản của sơ đồ truyền𝑓𝑘 𝑘 𝑁 thông đa sóng mang, là một dạng cụ thể của hệ thống đa kênh, trong đó các ký hiệu khác nhau được truyền bằng các kênh con trực giao ở dạng song song Đặt 𝑋𝑙[𝑘]và 𝑌𝑙[𝑘] lần lượt biểu thị các tín hiệu được truyền v nhận được mang ở tần số sóng mang fk trong khoảng ký hiệu thứ l Nó ngụ ý rằng truyền dẫn đa sóng mang có thể được coi là một loại phương phápFDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số) Hình 1.9 minh họa phổ tín hiệu được truyền trong hệ thống truyền dẫn đa sóng mang, chiếm nhiều băng con có băng thông bằng nhau,mỗi băng tần tập trung ở tần số sóng mang khác nhau Nếu mỗi kênh con bị giới hạn băng tần như mô tả trong Hình 1.9, nó sẽ trở thành truyền dẫn FMT (Filtered Multi-Tone) Mặc dù hệ thống truyền dẫn đa sóng mang loại FMT có thể đáp ứng được tính chọn lọc tần số của kênh băng rộng, nhưng việc triển khai nó trở nên phức tạp vì nó liên quan đến nhiều bộ mã hóa/giải mã và bộ tạo dao động hơn cũng như các bộ lọc chất lượng cao hơn khi số lượng sóng mang phụ tăng lên.

2.1.3 Điều chế và giải điều chế OFDM:

Bộ phát OFDM ánh xạ các bit thông báo thành một chuỗi ký hiệu PSK hoặc QAM, sau đó sẽ được chuyển đổi thành N luồng song song Mỗi ký hiệu trong số N ký hiệu từ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) được thực hiện bởi sóng mang con khác nhau Đặt 𝑋𝑙[𝑘] biểu thị ký hiệu truyền thứ l tại sóng mang con thứ k, = 0, 1, 2, …, ∞, 𝑘 = 0, 1, 2, …,𝑙 𝑁 − 1 Do chuyển đổi S/P, khoảng thời gian truyền của N ký hiệu được mở rộng đến 𝑁𝑇𝑠, tạo thành một ký hiệu OFDM duy nhất có độ dài 𝑇𝑠𝑦𝑚 (tức là 𝑇𝑠𝑦𝑚 = 𝑁𝑇𝑠) Đặt 𝑌𝑙[𝑘] biểu thị tín hiệu OFDM thứ l tại sóng mang con thứ k, được cho là ψ l k (t)={ e j2π f k (t−l T sym ) ,0 1, -ve value > -1 R_Freq(R_Freq>0) = +1;

R_Freq(R_Freq