Tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

LỜI CAM ĐOAN  Em xin cam đoan đồ án này là kết quả tìm hiểu của bản thân em, không giống hoàn toàn với bất kỳ đề tài nào đã có trước. Mọi tài liệu liên quan được liệt kê trong mục tài liệu tham khảo. Đà Nẵng, tháng 06 năm 2008 Sinh viên thực hiện TRẦN VĂN SÁU MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM…………………… 1 1.1 Giới thiệu chương: ………………………………………………………………… 1 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM: ……………………………………………… 1 1.3 Đơn sóng mang: ………………………………………………………………… 6 1.4 Đa sóng mang: …………………………………………………………………… 6 1.5 Sự trực giao: ………………………………………………………………………8 1.5.1 Trực giao miền tần số: ………………………………………………… .9 1.5.2 Mô tả toán học OFDM: ………………………………………………… 10 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM: …………………………………………….15 1.6.1 Điều chế BPSK: ………………………………………………………….16 1.6.2 Điều chế QPSK: ………………………………………………………….17 1.6.3 Điều chế QAM: ………………………………………………………… 19 1.6.4 Mã Gray: 20 1.7 Các đặc tính của OFDM: .………………………………………………………23 1.7.1 Ưu điểm: …………………………………………………… ….23 1.7.2 Nhược điểm: ………………………………………………………23 1.8 Kết luận chương: ……………………………………………………………24 Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYÊN 25 2.1 Giới thiệu chương: 25 2.2 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM: 25 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation): 25 2.2.2 Hiệu ứng đa đường: 26 2.2.3 Dịch Doppler: 29 2.2.4 Nhiễu AWGN: 30 2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI: 31 2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI: 31 2.2.7 Tiền tố lặp CP: 32 2.3 Khoảng bảo vệ: 34 2.4 Giới hạn băng thông của OFDM: 36 2.4.1 Lọc băng thông: 37 2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR: 38 2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM: 39 2.5 Kết luận chương: 39 Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THÔNG OFDM… ……………… …… 40 3.1 Giới thiệu chương:……………………………………………………… ….40 3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM:……………………………………… …40 3.2.1 Nhận biết khung:…………………………………………………… 41 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số:………………………………………. .43 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân:…………………………………… 43 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên:……………………………………… 45 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư:……………………………………………… 46 3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM:…………………………………………………48 3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot:……………………………….49 3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP:……………………………………………50 3.3.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC):………………… 51 3.3.3.1 Nhận biết FSC:………………………………………………… 52 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1:…………………………………… 53 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2:…………………………………… 54 3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM:……………………………………….55 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu:……………………………………………….55 3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang:……………………………………………56 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot: 56 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP:………………………56 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu:……………………………….57 3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM:………………… 58 3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian:…………………………………59 3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số:…………………………………….60 3.6 Kết luận chương:…………………………………………………………… 61 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……. 62 4.1 Giới thiệu chương:…………………………………………………………… 62 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink: ………… 62 4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình: …………………………65 4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền: 65 4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM: 66 4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM: 67 4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER: 69 4.4 Kết quả chương trình mô phỏng: 69 4.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM: 69 4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh: 71 4.5 Kết luân chương: 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI …………… ………….72 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….…………73 PHỤ LỤC……………………………………………………………………… ….74 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT A AM Amplitude Modulation AWGN Additive White Gaussian Noise B BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station C CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix D DC Direct Current (0 Hz( DFT Discrete Fourier Transform DPLL Digital Phase Look Loop DS-CDMA Direct Sequence CDMA DSP Digital Signal Processor DVB Digital Video Broadcasting F FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correcting FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impulse Response (digital filter( FM Frequency Modulation FOE Frequency Offset Estimation FSC Frame Synchronization Code FSK Frequency Shift Keying G GI Guard Interval I ICI InterChannel Interference ICI InterCarrier Interference ISI InterSymbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse FFT IMD Inter-Modulation Distortion ISI InterSymbol Interference O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PM Phase Modulation PN Pseudo Noise PSK Phase-Shift Keying Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying S S/P Serial to Parallel SC Single Carrier SNR Signal to Noise Ratio W Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access LỜI NÓI ĐẦU &&& Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM. Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này. Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương: Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM. Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM. Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN. Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa chọn tần số, dịch Doppler, nhiễu AWGN Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM. Chương 3: VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM. Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ trong hệ thống OFDM. Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM. Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, tháng 06 năm 2008 Sinh viên thực hiện TRẦN VĂN SÁU Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, 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 Các nguyên lý cơ bản 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 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. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. 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 tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. 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 gói dày đặc 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 giữa 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. Với FDM những tín hiệu truyền cần có (a) Tần số Tần số Tiết kiệm băng thông (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). Ch.1 Ch.10 [...]... dụng trong OFDM 1.7 Các đặc tính của OFDM Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau: 1.7.1 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ... (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol - Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh - Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật. .. sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM. .. sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng - OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu... các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 2.2 (Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng... những hạn chế 1.7.2 Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của. .. 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 1.5.1 Trực giao miền tần số Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin (x)/x) Đó là... nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal 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 bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều... sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM [2] 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự... có thể bị suy giảm biên độ, có thể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất…Chương sau sẽ đề cập đến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Giới thiệu chương 2.1 Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm . dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này. Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương: Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM. Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM. thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM. Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN. Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading. 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 Các nguyên lý cơ bản của OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là