Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM Sinh viên thực : TRẦN MINH NGỌC Lớp : 48K - ĐTVT Cán hướng dẫn : ThS PHẠM MẠNH TOÀN Nghệ An, 01 - 2012 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………3 TÓM TẮT ĐỒ ÁN ………………………………………………………….4 DANH MỤC BẢNG BIỂU …………………………………………………5 DANH MỤC HÌNH VẼ …………………………………………………….6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ……………………………………………….8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 11 1.1 Giới thiệu chương 11 1.2 Khái niệm OFDM 12 1.3 So sánh OFDM FDM .13 1.4 Tính trực giao .15 1.5 Cấu trúc OFDM .16 1.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 17 1.7 Đồng 23 1.8 Điều chế OFDM 27 1.9 Ưu nhược điểm hệ thống OFDM 30 1.10 OFDM hệ thống 31 1.11 Một số ứng dụng OFDM .33 1.12 Kết luận 34 CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN…… 35 2.1 Giới thiệu chương 35 2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến hệ thống OFDM………………….35 2.3 Khoảng bảo vệ……………………………………………………… 44 2.4 Giới hạn băng thông OFDM …………………………………… 47 2.5 Kết luận chương ……………………………………………………… 49 CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM……… 51 3.1 Giới thiệu chương…………………………………………………… 51 3.2 Sự đồng hệ thống OFDM …………………………………… 51 3.3 Đồng ký tự OFDM ……………………………………………60 3.4 Đồng tần số hệ thống OFDM …………………………………68 3.5 Ảnh hưởng lỗi đồng tới hiệu suất hệ thống OFDM …………….71 3.6 Kết luận chương ……………………………………………………… 74 KẾT LUẬN …………………………………………………………………76 LỜI NÓI ĐẦU &&& Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) biết đến từ năm 70 kỷ trước, với ưu điểm như: cho phép truyền liệu tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp băng hẹp, khả cho hiệu suất phổ cao, khả chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản hiệu điều chế giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính thế, OFDM ngày phát triển dịch vụ viễn thông tốc độ cao Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, chọn làm chuẩn cho hệ thống phát số Do OFDM trở thành công nghệ chấp nhận cách rộng rãi chuẩn truyền thông không dây di động sử dụng nhiều tương lai Nhưng thuận lợi việc sử dụng OFDM khả vươn xa tính phổ biến hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM OFDMA nghiên cứu ứng dụng triển vọng công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax) Tuy nhiên, để áp dụng kỹ thuật cần phải giải vấn đề tồn hệ thống Do hạn chế thời gian lực nên cố gắng đồ án nhiều thiếu sót cần bổ sung phát triển.Em mong thầy cô bạn góp ý thêm Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phạm Mạnh Toàn Thầy Cô Khoa Điện Tử Viễn Thông giúp đỡ em thực tốt đề tài tốt nghiệp hoàn thành chương trình đào tạo Vinh , tháng 11 năm 2011 Sinh viên thực Trần Minh Ngọc TÓM TẮT ĐỒ ÁN OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Với nhiều ưu điểm vượt trội: Hiệu sử dụng phổ cao, khả chống lại fading đa đường hệ thống vô tuyến số, đơn giản hiệu điều chế, giải điều chế Vì kỹ thuật OFDM ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực viễn thông: WiMax,DVB… Đồ án tìm hiểu kỹ thuật OFDM, cấu trúc hệ thống, phổ tín hiệu Các đặc tính kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng hệ thống OFDM Vấn đề đồng số phương pháp đồng đề cập đến nghiên cứu Nội dung đồ án bao gồm chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Chương 2: Các đặc tính kênh truyền vô tuyến Chương 3: Vấn đề đồng hệ thống OFDM DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các giá trị mã hóa 64 - QAM…………………………… 12 Bảng 1.2 Thông số điều chế QPSK……………………………………20 Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích phân bố Rayleigh………………… 29 Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng……………………………………31 Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ………………………………… 60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa khác OFDM FDM ………………… 11 Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung không chồng xung…… 12 Hình 1.3 Phổ OFDM FDM …… ………… …………………… 12 Hình 1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM ……………………………… 13 Hình 1.5 Cấu trúc OFDM miền tần số ……………………………….14 Hình 1.6 Cấu trúc kênh OFDM ……………………………………… 14 Hình 1.7 Cấu trúc lát OFDM 15 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống OFDM ………………………………………… 15 Hình 1.9 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ……………………… 21 Hình 1.10 Ảnh hưởng lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) bị tác động nhiễu ICI ……………………………………….… 24 Hình 1.11 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK …………………………… 27 Hình 1.12 Chùm tín hiệu M-QAM ……………………………………….…28 Hình 2.1 Ảnh hưởng môi trường vô tuyến …………………… ………33 Hình 2.2 Tín hiệu đa đường ……………………………………………… 34 Hình 2.3 Các mức suy giảm khác xảy fading ………… 34 Hình 2.4 Trải trể đa đường ………………………………………………….36 Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI hệ thống OFDM ………….…40 Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp ………………………………………………… 41 Hình 2.7 OFDM có khoảng bảo vệ khoảng bảo vệ………… 44 Hình 2.8 Phổ tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ hạn chế băng thông …………………………………………………………………… ….44 Hình 3.1 Quá trình đồng OFDM ………………………………….50 Hình 3.2 Xác suất nhận biết mát nhận biết sai mức ngưỡng PAPR khác …………………………………………………………….51 Hình 3.3 Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO giá trị SNR khác ……………………………………………………………………54 Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL …………………………………………… 58 Hình 3.5 Pilot gói OFDM …………………………………………….60 Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM …………………………61 Hình 3.7 Đồng khung ký tự dùng FSC ………………………………… 63 Hình 3.8 Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR ……………………………….64 Hình 3.9 CP symbol OFDM ………………………………… 67 Hình 3.10 Tín hiệu OFDM …………………………………………… … 68 Hình 3.11 SNR hiệu dụng tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian.…….70 Hình 3.12 SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 thứ 64 cân kênh đầu frame …………………………………………………………………… …71 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A AM AWGN Amplitude Modulation Additive White Gaussian Noise Biên độ điều chế Nhiễu âm cộng có phân bố B BER BPSK BS CDMA CP Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Base Station C Code Division Multiple Access Tỷ lệ lỗi bit Điều chế pha nhị phân Các trạm gốc Đa truy nhập phân chia theo mã Chu kỳ tiền tố Cyclic Prefix D DC DFT DPLL DS- Direct Current (0 Hz) Discrete Fourier Transform Digital Phase Look Loop Direct Sequence CDMA Trực tiếp Biến đổi Fourier Vòng nhìn kỹ thuật số Chuỗi trực tiếp CDMA Xử lý tín hiệu kỹ thuật số Truyền hình kỹ thuật số FDM Digital Signal Processor Digital Video Broadcasting F Frequency Division FEC FFT FIR Multiplexing Forward Error Correcting Fast Fourier Transform Finite Impulse Response Chuyển tiếp lỗi sửa chữa Phép biến đổi Fourier nhanh Đáp ứng xung hữu hạn FM FOE FSC (digital filter) Frequency Modulation Frequency Offset Estimation Frame Synchronization Code Tần số điều chế Tần số ước tính Khung hình đồng hóa mã Frequency Shift Keying số Điều chế số theo pha tín hiệu CDMA DSP DVB FSK Phân chia tần số G GI Guard Interval ICI ICI I InterChannel Interference InterCarrier Interference Nhiễu liên kênh Giao thoa kênh ISI IDFT InterSymbol Interference Inverse Discrete Fourier Nhiễu liên ký hiệu Biến đổi Fourier rời rạc IEEE Transform Institute of Electrical and nghịch đảo Viện kỹ sư điện điện IFFT IMD ISI Electronic Engneers Inverse FFT Inter-Modulation Distortion InterSymbol Interference O tử Biến đổi Fourier ngược Méo lần điều chế Nhiễu ký hiệu OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing số trực giao P P/S PAPR PM PN PSK Parallel to Serial Peak to Average Power Ratio Song song để nối tiếp Cao điểm để tỷ số công suất Phase Modulation Pseudo Noise Phase-Shift Keying trung bình Giai đoạn điều chế Tạp âm giả Điều biến dịch pha Q QAM QPSK S/P SC SNR Wimax Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase-Shift Keying S Serial to Parallel Single Carrier Signal to Noise Ratio W Worldwide Interoperability for Microwave Access Điều chế biên độ vuông góc Khóa di pha cầu phương Nối tiếp để song song Sóng mang đơn Tỷ số tín hiệu nhiễu Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba 10 khoảng lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính xác ước lượng đỉnh tương quan Trong bước đồng "tinh", thời gian đồng xác nhỏ mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng lỗi đồng đáp ứng xung kênh chắn nằm khoảng CP (vì khoảng thời gian CP phải lớn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh mẫu) Vì vậy, lỗi pha sóng mang kênh phụ chắn lỗi thời gian gây nên Lỗi ước lượng cách sử dụng hồi quy tuyến tính Khi đó, tín hiệu kênh pilot cân Các symbol pilot chèn vào tín hiệu OFDM theo trật tự hợp lý Thông thường symbol pilot chèn vào phần gói OFDM (Hình 3.5) a) k ênh fading phẳng tần số b)Kênh fading chon lọc tần số Hình 3.5: Pilot gói OFDM 3.3.2 Đồng ký tự dựa vào CP Xét hai tín hiệu thu cách N bước: d(m) = r (m) – r (m + N), Với N sóng mang phụ N số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích symbol OFDM, chúng phải nên d(m) thấp Nếu r(m) r(m-N) tương ứng với mẫu phát nằm thời khoảng 63 symbol OFDM, d(m) hiệu hai biến ngẫu nhiên không tương quan Công suất d(m) trường hợp hai lần công suất trung bình symbol OFDM Nếu sử dụng cửa sổ trượt có độ rộng thời gian khoảng thời gian CP (điểm cuối cửa sổ trùng với điểm bắt đầu symbol OFDM) cửa sổ trùng với thành phần CP symbol OFDM có cực tiểu công suất trung bình mẫu d(m) cửa sổ Do đó, ước lượng thời điểm bắt đầu symbol OFDM, đồng thời gian thực 3.3.3 Đồng khung ký tự dựa mã đồng khung (FSC) Đồng khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu khung ký tự để tìm thấy vị trí xác cửa sổ FFT Các thuật toán đồng khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ khoảng bảo vệ GI phần sau symbol Nhưng thuật toán phát xác vị trí bắt đầu ký tự nhiễu ISI kênh fading đa đường Cấu trúc khung chia thành vùng mã đồng khung FSC cho đồng khung symbol vùng liệu cho truyền dẫn symbol OFDM (Hình 3.6) Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM sau: S frame (t ) = S FSC (t ) + S data (t −TFSC ) (3.16) Trong đó, TFSC : Khoảng thời gian symbol FSC 64 Tại phía phát, chuỗi mẫu dạng số phát gồm có chuỗi CA(n) FSC mẫu liệu GI qua FFT là:  s ( n) = C A ( n)  nk j 2π  N −1 N s ( n ) = X ( k ) e  m ∑ m N k =0  n = 1, 2, , C L : FSC k = 0, 1, , N − : da ta (3.17) Trong đó, CL : Độ dài bit FSC sm(n) : Chuỗi mẫu symbol OFDM thứ m miền thời gian không thêm GI xm(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m miền tần số N : Số sóng mang phụ Các mẫu CA(n) ứng dụng trực tiếp để s(n) số bắt đầu khung Tín hiệu FSC chuỗi mẫu, s (n) = C A (n) , với n = 1,2,… CL tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2), , C( C L )} gồm CL giá trị nhị phân Đối với mã C(n) có giá trị "1" , thực đảo cực tính luân phiên để tạo tín hiệu mức C A (n) Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} C A (n) = {1, 0, 0, -1, 1, -1, 0, 1} Bằng cách này, ta trì số giá trị '1' '-1' phía phát để hạn chế khoảng dịch DC trì mức cố định cho dải động Cấu trúc đồng khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, nhận biết bit '0'/ '1' , ghi dịch CL, cộng Modulo -2 giảm bớt, tổng, nhận biết đỉnh Thuật toán đồng khung symbol nhờ FSC gồm có bước: Nhận biết FSC, xác định mức ngưỡng tối ưu Th1 Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung symbol 65 Hình 3.7: Đồng khung ký tự dùng FSC 3.3.3.1 Nhận biết FSC Đầu tiên, đồng khung symbol nhận biết công suất cách dùng mẫu thu Giả sử chuỗi mẫu tín hiệu tối ưu thứ i sau kênh đa ~ đường AWGN s (i ) , biểu diễn tín hiệu với khoảng dịch tần số pha thành kênh I Q riêng rẽ sau: ~ ~ y (i ) =( s I (i ) +s Q (i )).e jΘ ~ ~ ~ ~ = ( s I (i ) cos Θ − sQ (i ) sin Θ ) + j ( sQ (i ) cos Θ + s I (i ) sin Θ ) (3.18) Trong đó, ~ s I (i ) : Kênh I s(i) ~ sQ (i ) : Kênh Q s(i) Θ : Biểu diễn tổng pha 2πiε N +θ0 , gồm khoảng dịch tần số ( ε = ∆fT ) khoảng dịch pha θ Nếu thực nhận biết công suất cho chuỗi mẫu để đồng khung symbol Hình 3.7, thu công suất mà không phụ thuộc vào khoảng dịch tần số pha sau; 66 ~2 ~2 y (i ) + y (i ) = s I (i ) + s Q (i ) I Q (3.19) 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1 Theo phép phân tích, thu mức ngưỡng tối ưu Th1 môi trường AWGN để xác định '0' '1' từ công thức (3.19) Để thu mức ngưỡng tối ưu môi trường đa đường khó phụ thuộc vào kiểu FSC Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR Các ngưỡng Th1 viết: Th1 = ση  −1 I (e 2P  2 P / ση )  (3.20) I 0−1 (.) : Hàm ngược Bessel bậc 0: I (.) , σ η2 : Phương sai biến ngẫu nhiên Gaussian kênh I P : Giá trị biên độ định nghĩa tín hiệu Q Hình 3.8 so sánh mô phân tích từ công thức (3.20) giá trị ngưỡng tối ưu với SNR khác 67 Các giá trị '0' '1' xác định đưa đến đầu vào ghi dịch nhận biết FSC phù hợp với tốc độ lấy mẫu Ts phép toán cộng modulo-2 thực thi CL thời điểm với kiểu FSC biết Ở đây, đầu cộng modulo-2 sửa đổi '1' bit giống vị trí tại, không có giá trị '-1' Các giá trị tương quan cộng tất khối tổng kết so sánh với ngưỡng Th2 nhận biết đỉnh để dò tìm FSC 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 Nếu giá trị đỉnh xác đầu nhận biết đỉnh nhỏ ngưỡng Th2 mà thiết lập cho nhận biết đỉnh, FSC không phát Đây gọi nhận biết trượt PM Nếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu vùng liệu khác Th2 xem FSC, gọi xác suất dự phòng sai PF Đối với đồng khung symbol, xác suất nhận biết trượt PM khả phát lỗi xác PC PC xác suất để nhận biết FSC số lượng lỗi FSC trở nên giống tổng số lỗi cực đại ε (với ε = (C L − Th2 ) / ) trình nhận biết đỉnh Vì vậy, khả nhận biết FSC PC tìm cách cộng xác suất lỗi bit FSC ngưỡng lỗi ε Xác suất nhận biết trượt tìm cách trừ tất xác suất nhận biết khỏi toàn công suất Khi ngưỡng lỗi ε chiều dài CL FSC tăng, xác suất nhận biết trượt giảm Giả sử chiều dài FSC C L bit, khả kết hợp liệu CL C ngẫu nhiên Nếu ε = 0, khả phát lỗi 1/ L Đây khả phát ngẫu nhiên xác với kiểu FSC PF giảm cách tăng số bit FSC, CL giảm ngưỡng nhận biết ε Như vậy, PM PF trao đổi với cho CL cố định biến đổi giá trị ε Th2 Trong trường hợp tổng quát PM nhỏ PF lớn Điều khắc phục kỹ thuật cửa sổ Trong kỹ thuật này, trình nhận biết 68 FSC khoảng đặc biệt, tính toán trước cao xem đỉnh Việc thực tương đối đơn giản cho hiệu tốt Như vậy, thuật toán đồng khung symbol chọn chiều dài kiểu FSC Điều phụ thuộc vào môi trường kênh hiệu suất hệ thống Khi môi trường kênh xấu, ta mở rộng chiều dài giảm PFW PM 3.4 Đồng tần số hệ thống OFDM Trong kỹ thuật đồng số cần quan tâm đến lỗi tần số thực ước lượng tần số Lỗi tần số lệch tần số nguyên nhân sai khác hai tạo dao động bên phát bên thu, độ dịch tần Doppler nhiễu pha kênh không tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hình sine) lấy mẫu đỉnh tạo xuyên nhiễu kênh ICI kênh phụ tính trực giao sóng mang phụ Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM gồm có đồng tần số lấy mẫu đồng tần số sóng mang 3.4.1 Đồng tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục lấy mẫu theo đồng hồ máy thu Sự chênh lệch nhịp đồng hồ máy phát máy thu gây xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo xuyên nhiễu kênh ICI Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ sử dụng thuật toán điều khiển dao động điều chỉnh điện áp VCO; giải pháp thứ hai thực xử lý số để động tần số lấy mẫu giữ cố định tần số lấy mẫu 3.4.2 Đồng tần số sóng mang Đồng tần số vấn đề định hệ thống thông tin đa sóng mang Nếu việc thực đồng không bảo đảm, hiệu suất hệ thống ưu điểm hệ thống so với hệ thống thông tin đơn sóng mang giảm đáng kể Để thực đồng tần số sóng mang phải ước lượng khoảng dịch tần sóng mang CFO 69 Cũng đồng thời gian (symbol), chia giải pháp ước lượng tần số thành loại : dựa vào tín hiệu liệu, dựa vào tín hiệu pilot, dựa vào CP, 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot Trong thuật toán này, số sóng mang sử dụng để truyền dẫn tín hiệu pilot Tín hiệu thường chọn tín hiệu PN Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, bên thu xác định giá trị xoay pha tín hiệu gây sai lệch tần số Nếu độ sai lệch tần số nhỏ nửa khoảng cách tần số hai sóng mang phụ kề nhau, ánh xạ giá trị xoay pha độ lệch tần số ánh xạ 1-1 nên xác định độ chênh lệch tần số 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP Xét sóng mang phụ điều chế dòng liệu: u (n) = N N −1 ∑ S ( k )e j 2π nk N n = − L + 1, , N − k =0 u (n) g ( g − nTs ) Tín hiệu phía phát: x(t ) = ∑ n Tín hiệu phía thu: y (t ) = ∑ u (n) h( g − nTs ) + n(t ) , với h(t) đáp n ứng kênh; n(t) đáp ứng nhiễu Tín hiệu CP với chiều dài L (Hình 3.9), tín hiệu phía thu là: y m (i ) = e j 2πεi / N u (i ) + n(i ) 2  σ s + σ n Đối với I = { − L + 1, , 0} , i ∈ I hàm E { y m (i ) y (i + l )} =  − j 2πε  σ s e ∗ m n =−L +1 n=0 l =0 l=N n = N −1 70 Hình 3.9: CP symbol OFDM ∗ ∠y , với y = ∑ y m (i ) y m (i + N ) 2π i =− L +1 ∧ Hàm ước lượng: ε = − Giá trị ước lượng thỏa mãn ε ≤0,5 , ε >0,5 phải thực lại giả định ban đầu 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa liệu Tín hiệu phía thu biểu diễn: y m ( n) = ∑S (k ) H N ke j 2πn ( k +ε) / N ; n = 0,1,2 N −1 Ta tách hai phần sau qua FFT: Y1 ( k ) = Y2 ( k ) = = N N N− ∑ y m ( n) e N −j 2πnk N −j 2πnk N n =0 N −1 ∑y m (n) e n =N N− 1 = y ( n +N ) e ∑ m −j 2πnk N −j 2πnk N n =0 ε N− e j 2π N ∑ ym (n) e n= Hàm ước lượng: N −1  ∗ Im[ Y ( k ) Y ( k )]  ∑  ∧ k =0  ε= tan −1 N  −1 2π ∑Re[Y2 ( k ) Y ∗1 ( k )]    k =0  S = [ s[0], , s[ N − 1]]T CP n= N− Hình 3.10: Tín hiệu OFDM n = 2N − n = N −1 S 71 Giá trị thỏa mãn ước lượng ε ≤0,5 , ε >0,5 phải thực giả định ban đầu 3.5 Ảnh hưởng lỗi đồng tới hiệu suất hệ thống OFDM Người ta thường đánh giá ảnh hưởng sai lỗi đồng dựa việc xác định độ suy giảm SNR Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng Loại/ lượng lỗi đồng Lỗi tần số sóng mang ε1 , kênh AWGN Lỗi tần số sóng mang ε1 , kênh fading Nhiễu pha sóng mang, độ rộng β Độ suy giảm SNR (dB) 10 ES D ≈ ln 10 (πε ) N O E    + 0.5947 S sin(πε )  NO   D ≤ 10 log   sin e ε     ES 11 D ≈ ln 10 (4πβ ) N O Lỗi đồng tần số lấy mẫu ∆f s3 , sóng mang phụ thứ n Lỗi thời gian   ES (∆) 1 +  3N O  D ≈10 log Không đáng kể Dựa vào bảng đưa số nhận xét: - Sự đồng tần số sóng mang máy phát máy thu ảnh hưởng đến tiêu chất lượng hệ thống nhiều (kể kênh fading lẫn kênh AWGN) Suy hao SNR [dB] tỷ lệ bình phương với độ sai lệch tần số sóng mang - Độ rộng nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên tăng số lượng sóng mang - Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối 72 - Ảnh hưởng lỗi thời gian bị triệt tiêu độ dịch thời gian đủ nhỏ cho không làm đáp ứng xung kênh vượt khoảng thời gian CP 3.5.1 Ảnh hưởng lỗi đồng thời gian OFDM chịu lỗi thời gian có khoảng bảo vệ symbol Đối với kênh multipath, độ lệch thời gian khoảng bảo vệ mà không làm tính trực giao, có quay pha tải phụ Sự quay pha sửa cân kênh không dẫn đến suy giảm hiệu suất, phần symbol áp dụng phép biến đổi FFT chứa phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu symbol Hình 3.11 mô tả SNR hiệu dụng OFDM hàm offset thời gian Điểm không thời gian tính so với phần FFT symbol Offset thời gian dương dẫn đến phần symbol nằm FFT Do khoảng bảo vệ mở rộng tuần hoàn symbol nên ISI Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm độ trễ kênh dẫn đến giảm tương ứng offset thời gian cho phép Gốc thời gian từ điểm phần đầu FFT symbol , sau khoảng bảo vệ Lỗi thời gian dương cho biết FFT máy thu nhận phần symbol tiếp theo, lỗi thời gian âm cho biết máy thu nhận khoảng bảo vệ Hình 3.11: SNR hiệu dụng tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 3.5.2 Ảnh hưởng lỗi đồng tần số 73 OFDM nhạy với offset thời gian nên dễ ảnh hưởng tới tiêu kỹ thuật Việc điều chế tín hiệu OFDM có offset thời gian dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu sóng mang (ICI) chậm sửa quay pha vectơ thu Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 thứ 64 cân kênh đầu frame Các lỗi tần số thường nguyên nhân Đó lỗi dao động nội tần số Doppler Sự sai khác tần số dao động nội máy phát máy thu dẫn đến độ lệch tần số, nhiên lỗi chỗ làm cho hiệu suất hệ thống giảm Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ Doppler tín hiệu Điều xuất offset tần số Việc điều chế FM kenh phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên số lớn phản xạ đa đường xảy môi trường điển hình Việc bù khoảng Doppler khó dẫn đến giảm tín hiệu Hình 3.12 mô tả ảnh hưởng lỗi tần số SNR hiệu dụng OFDM dùng điều chế QAM kết hợp Một độ lệch dẫn đến quay pha vector tải phụ thu Độ lệch tần lớn quay pha lớn Nếu 74 kênh thực đầu frame lỗi tần số không giải quyết, hiệu suất hệ thống giảm dần Symbol sau bù kênh có SNR hiệu dụng cực đại, SNR giảm bị cuối frame Trên hình vẽ SNR hiệu dụng symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 có bù kênh đầu frame Độ lệch tần số phải trì giới hạn 2÷4% để phòng ngừa tổn hao Trong môi trường di động nhiều người sử dụng vấn đề phức tạp tín hiệu truyền từ người sử dụng có tần số offset khác Nếu người sử dụng đồng tốt với BS có độ lệch tần độ lệch tần Doppler Độ lệch tần kết nối OFDM người sử dụng vấn đề quan trọng bù với gia tăng tối thiểu độ phức tạp máy thu Tuy nhiên, trường hợp nhiều người sử dụng vấn đề sửa lỗi tần không đơn giản 3.6 Kết luận chương Sự đồng hóa hệ thống cần thiết để có hiệu suất làm việc tốt cho hệ thống Trong chương trình bày số phương pháp đồng cho hệ thống OFDM Tất sóng mang phụ tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu sóng mang Việc xét đến ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM giúp nhận biết vai trò loại đồng từ thực đồng có hiệu tối ưu 75 KẾT LUẬN Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM công nghệ đại cho truyền thông tương lai Hiện việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần sốcũng xuyên nhiễu băng hẹp Đồ án tìm hiểu, trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM khả ứng dụng OFDM vào công nghệ tương lai Đồng vấn đề quan trọng không hệ thống OFDM mà hệ thống khác Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe vấn đề đồng sai lệch tần số, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler di chuyển lệch pha gây nhiễu giao thoa tần số (ICI) Trong hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng hóa máy phát máy thu, làm tính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI ICI độ xác tần số Việc tìm hiểu tổng quan OFDM giải vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM, hướng đến ứng dụng OFDM tương lai như: Nghiên cứu, tìm hiểu số hệ thống OFDM nâng cao VOFDM (Vector OFDM), COFDM (Coded OFDM), WOFDM (Wideband OFDM), Kết hợp OFDM với công nghệ khác FDMA, TDMA CDMA để tạo thành kỹ thuật đa truy cập thông tin di động Ứng dụng OFDM DVB-T, WLAN, OFDMA, Ứng dụng công nghệ OFDM WiMAX 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu, "Ứng dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM thông tin di động CDMA", Tạp chí Bưu Viễn thông & Công nghệ Thông tin, số 12 tháng năm 2004 [2] Nguyễn Văn Đức,“Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] Ramjee Prasad “OFDM for Wireless Communications Systems” Artech House, 2004 [4] Ye(Geoffrey) Li, Gordon Stuber “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications” ,Springer , 2006 [5] Hui Liu, Guoqing Li “ OFDM- Based Broadband Wireless Networks” Wiley Interscience, 2005 [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller “ OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting ” All of Univesity of Southampton,UK, IEEE Press/ Wiley 2003 [7] Juha Heikala, John Terry, Ph.D “OFDM Wireless LANS : A Theoritical and Practical Guide” ISBN :0672321572 [8] Henrik Schulze and Christian Luders, “Theory and Application of OFDM and CDMA”, Fachhochschule Sudwestfalen Meschede, Germany-2005 [9] L.HANZO,W.WEBB,and T.KELLER,"Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplititude Modulation" New York: IEEE Press/ Wiley, Apr.2000 [10] Richard van Nee, Ramjee Prasad, " OFDM for wireless multimedia communications", Artech House, 2000 [11] Ahmad R.S Bahai, Burton R Saltzberg, “Multicarier Digital Communications Theory and Applications of OFDM”, Kluwer Academic Publishers, 2002 77 [...]... kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong. .. RF Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản Nó cần được nâng tần trước khi truyền dẫn Việc nâng tần có thể thực hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số 1.7 Đồng bộ Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang... IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm thanh số(DAB) ,và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại... thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 1.7.1 Đồng bộ kí tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật. .. mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra 1.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 27 Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người... Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT 1.9.2 Nhược điểm OFDM là một kỹ thuật. .. con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia 11 Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao Trong hệ thống FDM (Frequency... 111 101 100 Q -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 1.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm... sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền... sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác 1.10 OFDM trong hệ thống Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập đến khi thực hiện hệ thống OFDM Trong hầu hết hệ thống di động, không riêng hệ thống OFDM , một vài dạng mã hóa kênh ... đề cập đến số kỹ thuật úng dụng OFDM 50 CHƯƠNG VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chương Ở chương này, tìm nội dung vấn đề đồng hệ thống OFDM Cụ thể tìm hiểu lỗi gây nên đồng bộ, ... cao(HDTV) Trong chương trình bày khái niệm OFDM, khác OFDM FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng OFDM, ưu nhược điểm hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng OFDM. .. chế RF Tại đầu điều chế OFDM, tín hiệu có băng tần Nó cần nâng tần trước truyền dẫn Việc nâng tần thực kỹ thuật tương tự kỹ thuật số 1.7 Đồng Đồng vấn đề quan tâm kỹ thuật OFDM có ý nghĩa định đến