Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật radio over fiber

Trang 1

Chương!:

GIỚI THIỆU TONG QUAN VE 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, mơ tả tốn 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 co ban cia 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 phô và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phô có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phỏ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng ph, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này

cần trực giao với nhau

Trang 2

Ch.10

AANANANANA ân sô

Tiết kiệm băng thông

Tần số

(b) ;

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chong xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

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 bồ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đồi 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 điềm Trong phát thanh thông thường mỗi đài

phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu qua FDM đề 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 Tắt 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

Trang 3

khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh đề 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 kề khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ x(n, x(n hin Dr (n) ú (n) liệu 4 phân | XẾP z Y(k) wn vn Dữ Sắp " AWG liệu | xếp N ra lại Hình 1.2: Sơ đồ hệ thông OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song

song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyên đôi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng đữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng

bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyền đổi lên tần số cao để

truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyền từ miền

thời gian sang miễn tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó,

tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyên về biên độ và pha của các

sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization)

Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối

Trang 5

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ

tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thê truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một

phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin

là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm:

điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên

(SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông 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 trên nguyên tắc phân chia

luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ R, (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên

nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để báo đám không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phố lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phô

Trang 6

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 eo! ` 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 phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi

truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu

Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân đề các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phái bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng

thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có

Trang 7

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Dé khôi phục dữ liệu đã mắt, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi đùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICD) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền

song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể

tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tu, Dé lam được điều

này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thê chấp nhận được Nhằm giải quyết van dé này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng đề thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều

chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FET được xem là một thuật toán giúp cho việc

biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi

sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thé viết dưới dạng [9]:

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thé biéu diễn tín hiệu ở dạng sau:

N-1

1 2ak (1-IT,(N +L))

nóc 3Ÿ cm N 1 k=0 ,

Trong đó, ¡x : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ &

trong symbol OFDM thứ / N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) 2 1 1 Khoảng cách sóng mang nhánh là — =—— 8 8 8 TT NT s

Trang 8

trùng lặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, 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 thông 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 chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phô của hệ thống

Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được

định vị chính xác tại điểm gốc trong phô điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các đải biên của chúng che phủ

lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu

Trang 9

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, goi la tién té lap (CP: Cycle Prefix)

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 góc 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 (in (x)4) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng

mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cô định (Trrr) Thời

gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/Trrr Hz Dạng

sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong

miễn tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không

Trang 10

chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier ri rac (DFT)

1.5.2 Mơ tả tốn học của OFDM

Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành

của máy thu cũng như mô tả các tác động khơng hồn hảo trong kênh truyền Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu

được thể hiện bởi công thức:

N=-1

S,(t) = v A, (1).0 72 (1.1)

n=0

Trong đó, @ = @ +n A@

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy

mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:

1 = o +n oO K, + H

S,T)= C3, A,.e/texnAe XE +0] (12)

n=0

Trang 11

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:

1 1

Af = —=—

⁄ NT T

Đây là điều kiện yêu cau tính trực giao Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức: M, (2) = exp(7jø,f) ọ = 208 (1.5) oO, =o Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong biểu thức (1.1): b b [Y,(®),ứ)#& = fern ‘ldt = (b— a) a khi p=4 efEz0=,®!rÌ ` = 72z@-q)z = khi p =q và (ñ-a)=r (1.6) (p.q là hai số nguyên)

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/z, đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn 7

Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao cho

phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín

hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với mot dai phu Dai tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian

symbol Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau

Trang 12

Dải bảo vệ Phần hữu ích của tín hiệu (CP) Tụ Tạ= N/W T

Hinh 1.10: Thém CP vao symbol OFDM

Vi dang song 1a tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T„ Lúc này tín hiệu được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là: N-1 s(t) =) x,., (0) (1.7) k=0 Ở đây Ø,() tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao b,() = Ayer ro w 1 Luc nay, “SEN FoF cP Một sự lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha: 1 A - e 727M1Tcp k T - T cp Do do, 1 j2akf (t-Tep ) ———c ý te[0,7) Oe (1) =4 VT -Top (1.8) 0 t¢[0,T) ao N-I Và tín hiệu cuối cùng: Š(7) = 3 3, x,,Ø,(Œ— 1T) (1.9) l=-» k=0

Như vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách sóng mang tương đương với tốc độ bit của bản tin

Trang 13

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong

miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo thành góc 90”) và tích của hai vector là bằng 0 Điểm chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0

Vạ=0

VỤ

— 6

Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0 Hàm số thông thường có giá trị bằng 0

Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:

21k

[sim @t)dt =0

0

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích đưới dang duong cong Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Biên

độ

A

U

Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0

Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau, kết quả cũng sẽ bằng 0

Trang 14

y \ / \ ,

—] \ t

VAY,

Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau

Trang 15

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là vấn đề rất quan trọng trong

quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao Từ phân

tích trên, ta có thể rút ra kết luận:

e _ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do

vậy ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

«Ổ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ đề tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, đề tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tin hiệu đầu vào là ở dang bit nhi phan Do do, diéu

ché trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc

hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức đ; = a„ + b„ở ngõ ra Các kí tự a„ b„ có thể được chọn là {+ 1,43}

cho 16 QAM va {+1} cho QPSK M Dang diéu ché ân, Dạ 2 BPSK +1 4 QPSK + 16 16-QAM 543 +1 64 64-QAM | ,43,45,4741

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Trang 16

1.6.1 Điều chế BPSK

Trong một hệ thông điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s,(/), s;() được sử dụng

để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7] S;(t) = = cos[ 22f.t + O(t) + 8] b Ø() = (¡~— 1)Z:0 << Tạ;¡ = 1,2 (1.10) 2Ep Hay: S| (t) = T, cos[ 27f.t + A]

S(t) = |-= cost 2af.t + z +91= =0) =—,| 2®, cos[2z/„r Tp Th + 0] (1.11)

Trong đó, Tị, : Độ rộng của Ibit E, : Nang luong cua | bit

0() : góc pha, thay đôi theo tín hiệu điều chế

0 : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2z và không

ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0 i= 1 : tương ứng với symbol 0

¡=2 : tương ứng với symbol 7

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180” như trên được gọi là các tín hiệu đối cực Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là: ®Œ)= = cos(2Z,);0 < f < Ty b Khi đó, s¡Œ)= 4JE;®() So (t) = -VJEp P(t) (1.12)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với

hai điểm bản tin (M=2): S,= vF; ,Š; =-xF;¿ như hình sau:

Trang 17

VE lo đế

52 3 F

Hinh 1.15 : Biểu đô không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:

P, -9| 2: (1.13)

Trong đó,

E, : Năng lượng bit

Ny: Mat 46 nhiễu trang cong

1.6.2 Điều chế QP.SK

Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:[7] S,(t) = = cos(2z/+Ø()+ø)_ 0</<T7 i 0 K0;)T (1.14) Với Ø pha ban đầu ta cho bằng 0 A(t) = (24-7 (1.15) Trong đó,

¡ = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T= 2.Ty (Tp: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

Khai triển s(/) ta được:

Trang 18

2E S)(O= \ “7 cos[(2.i- 1), Aleos( 2af-t) - \ = sin[(2¡ — ĐỊT -sin( 2,0) (0<t<T) 0 T <t;t<0 (1.16) Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau: đ,)=~ [= sin 2af t) 0</<7 (1.17) 2 @,(t)= 7 Sint 2af t) 0</<7 (1.17b) Khi đó,

s;(t) = (VE sin{( 2 - nat Oo (t)VE cos[( 2¡ — re (1.18)

Vay, bén ban tin ứng với các vector được xác định như sau:

Ss Gi = 1,2,3,4) (1.19)

_ XE sin[( 2i- Độ] _ Ni

XE cos[( 21-1)

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK

Trang 19

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai

chiều và bốn bản tin như hình vẽ

Biên giới quyết dinh bit

48/2

Điểm bảjtin (01) % ® Điểm bản tin (00)

Điểm bản Nn(11)le — | —— sÐiểm Yan tin (20)

Hình 1 16 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức 'I' thay đổi vao — VE, con logic '0' thì biến đổi vào A£ Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.[7] 1.6.3 Điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp

với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đồi Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại

này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thê độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang

QAM (điều chế biên độ góc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên

độ lẫn pha Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.[7]

Trang 20

Trong đó,

Ey : nang luong cua tin hiéu cd bién độ thap nhat

a;, b; : cap số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một

tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc"

Có thé phan tich S(t) thành cặp hàm cơ sở:[7] H(t) = nền sin( 2zf,.1) 0</<7 2 - Ø2) = aj sin( 22f 1) 0</<7 (121) mm 64-OAM oe eô â6 e)}e © ee @ ‘ce © « «° e e| 16-QAM ' es ree ae ae 7 * ' ° e ị - = | Sesx® e '@ @ i'@:eleieie e le © ele ị &' « h le e e ele ee «| Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-OAME 1.6.4 Mã Gray

Giản đồ IQ(Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền

cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một

vector IQ duy nhất Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm canh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn Mã này giúp giảm thiểu

tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn

Trang 21

Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8- PSK, 16-PSK) va QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM ) Decimal Gray Codin Decimal Gray Codin 0 0,0,0,0 8 1,1,0,0 0,0,0,1 9 1,1,0,1 0,0,1,1 10 1111 0,0,1,0 ll 1110 0,110 12 1,0,1,0 011/1 13 1,0,1,1 0,1,0,1 14 1,0,0,1 0,1,0,0 15 1,0,0,0 Bang Ma Gray

Hình 1.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray Mỗi vi tri IQ lién tiép

chỉ thay đối một bit đơn

Trang 22

Imaginary Imaginary Imaginary 05 I-8 đlagram for BPSK « oh 1 O56 0 a5 1 Real (a) 1-Q diagram tor GAM t o1 ot et oo o0 „0 1 0.5 0 os 1 15 Real (c) |-@ diagram for 320AM 811100 @11101 811110 811111 @10110 410111 @11000 @11001 @11010 §1101 40041 @1! #1010 80 1011 @011 011001 ®01110 @or00 anc 1-Q diagram for QPSK 1 eat 95 = g = 4 ss 5 en on 8 E 05 A ato 1 0.5 0 0.6 1 Real (b) 1-Q diagram for 16QAM

Trang 23

1.7 Các đặc tính của OFDM

Qua bản chất của OFDM, ta có thé tom tat 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 chiu dung fading lựa chọn tan số tốt hơn những hệ thống

sóng mang đơn

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (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 thê khôi

phục lại được các symbol bị mắt 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 DFT đề bồ 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 ofets) 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 cũng có những hạn chế

1.7.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ

thông thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bắt 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

Trang 24

gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến

đổi từ analog 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 liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một

cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phai dat trong b6 thu OFDM

1.8 Kết luận

Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn để liên

quan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên

độ, có thể bị mat thông tin ở một số chỗ, mắt mát công suất Chương sau sẽ đề cập đến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM