nghiên cứu kỹ thuật ofdm ứng dụng trong thông tin vô tuyến

LỜI NÓI ĐẨUViệc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMđược biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điếm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc

NG DUNG TRONG THÔNG TIN vô TUYẾN

■ Un 1

Người hướng dẫn

u 1

ThS LÊ THỊ KIỂU NGA 1

Sinh viên thực hiện NGUYỄN TRỌNG THƯỞNG

\u

1

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: số hiệu sinh viên:Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán hộ phản hiện:

tháng năm 2013

Cán hộ phản hiện

( Ký, ghi rõ họ và tên )Ngày

MỤC L ỤC

MỤC LỤC iii

LỜI NÓI ĐẦU vi

TÓM TẤT ĐỒ ÁN viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1

1.1 Khái niệm về OFDM 1

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 2

1.3 Đơn sóng mang 5

1.4 Đa sóng mang 7

1.5 Sự trực giao 9

1.5.1 Trực giao miền tần số 10

1.5.2 Mô tả toán học OFDM 11

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 16

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 ưu, nhược điểm của OFDM 23

1.7.1 Ưu điểm 23

1.7.2 Nhược điểm 23

1.8 Ket luận chương 24

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 25

2.1 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 25

2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation) 25

2.1.2 Hiệu úng đa đường 25

2.1.3 Dịch Doppler 28

2.1.4 Nhiễu AWGN 29

2.1.5 Nhiễu xuyên ký tự ISI 30

2.1.6 Nhiễu xuyên sóng mang ICI 31

2.1.7 Tiền tổ lặp CP 32

2.2 Khoảng bảo vệ 33

2.3 Giới hạn băng thông của OFDM 34

2.3.1 Lọc băng thông 35

2.3.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR 36

2.3.3 Ánh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 37

2.4 Ket luận chương 37

CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM 38

3.1.Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM 39

3.1.1 Nhận biết khung 39

3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 40

3.1.2.1 Ước lượng phần thập phân 41

3.1.2.2 Uớc lượng phần nguyên 43

3.1.3 Bám đuối lỗi thặng dư 44

3.2 Đồng bộ ký tự trong OFDM 46

3.2.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot 46

3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP 47

3.2.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC) 48

3.2.3.1 Nhận biết FSC 49

3.2.3.2 Xác định mức ngưỡng Thl 50

3.2.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 51

3.3 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 52

3.3.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 52

3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang 52

3.3.2.1 UỚC lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot 53

3.3.2.2 Uớc lượng tần số sóng mang sử dụng CP 53

3.3.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu 54

3.4 Ánh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFD 55 3.4.1 Ánh hưởng của lỗi đồng bộ thời

gian

55

56 3.4.2 Ánh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

3.5 Ket luận chương 58

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 59

4.1 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình 59

4.1.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 59

4.1.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM 60

4.1.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM 61

4.1.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER 62

4.2 Ket quả chương trình mô phỏng 64

4.2.1 So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM (BPSK, ỌPSK, 16QAM, 64QAM) 65

4.2.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink 67

4.2.3 So sánh tín hiệu ỌAM và OFDM 71

4.2.4 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM 72

4.3 Kết luận chương 72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

LỜI NÓI ĐẨU

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 điếm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các bănghẹp, khả năng cho hiệu suất phố cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơngiản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toánĨFFT, FFT Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễnthông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN khôngdây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số OFDM đang trở thành côngnghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuấn truyền thông không dây diđộng sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sử dụngOFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phố biến của các hệ thống OFDM.Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọngtrong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax) Tuy nhiên, để có thể ápdụng 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 TỎNG QUAN VỀ OFDM

Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM, các khái niệm, nguyên lý cũng nhưthuật toán của OFDM và đề cập đến những ưu điếm và nhược điếm của kỳ thuậtOFDM

- 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, dịchDoppler, nhiễu AWGN Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI vàICI trong hệ thống OFDM

- CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM

Tìm hiếu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộtrong hệ thống OFDM

- CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM

Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng phần mềm

MATLAB

Do có sự hạn chê vê mặt thời gian cũng như năng lực của cá nhân nên nội dungcủa đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Em mong cácthầy, cô giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm vào để đồ án này càngđược hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS Lê Thị Kiều Nga đãtận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Qua đây, em cũng xin gửilời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Vinh đãdạy dồ chỉ bảo em trong suốt khóa học này.

Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2012

Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Thưởng

TÓM TẤT ĐÔ ÁN

Đồ án này nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trục giao(OFDM) cùng với những ứng dụng hữu ích của nó Mục đích của đồ án là trình bàynguyên lý chung, cấu trúc, đặc điểm và vấn đề đồng bộ trong OFDM Đồng thờinêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai.Với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền songsong với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năngchống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điềuchế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Do đó, OFDM đang trở thành côngnghệ được chấp nhận một cách rộng rãi, các chuấn truyền thông không dây di động

sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Trong đồ án cũng đã trình bày môphỏng bằng phần mềm Matlab thế hiện những đặc tính cơ bản nối trội của OFDM

so với các phương pháp điều chế khác

ABSTRACT

This thesis was studied orthogonal ữequency-division multiplexing (OFDM)technique with its useíul applications The purpose of the thesis is intended topresent general principles, structure, characteristics and synchronization in OFDM

ĩt also mentions applications in radio communication System and its developments

in íuture With advantages such as: high-speed data is transmitted in parallel withthe low-speed on the narrow-band, capable of high spectral efficiency, resistance toírequency selective fading, modulation and demodulation are simple and efficient

by using IFFT and FFT algorithm Thereíbre, OFDM technology is becoming morewidely accepted, the mobile wireless communication Standard will be used more inthe íiiture In this thesis also presented simulation using Matlab software to presentthe outstanding basic characteristics of OFDM compared with other modulationmethods

DA NH MỤC CÁ c BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Các kỳ thuật điều chế trong OFDM 16

Bảng 1.2: Các thông số của điều chế ỌPSK 19

Bảng 1.3: Bảng Mã Gray 21

Bảng 2.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh 27

Bảng 2.2: Các giá trị trải trễ thông dụng 28

Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lồi đồng bộ 55

DA NH MỤC CÁ c HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu OFDM 1

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau của FDM và OFDM 2

Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 3

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM 4

Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản 5

Hình 1.6: sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM 5

Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao 5

Hình 1.8: Phô của sóng mang con OFDM 6

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn 7

Hình 1.10: Cân trúc hệ thông truyền dân đa sóng mang 7

Hình 1.11: Các sóng mang trực giao 10

Hình 1.12: Thêm CP vào Symbol OFDM 12

Hình 1.13: Tích của hai vector trục giao bằng 0 13

Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0 14

Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau 14

Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần số 15

Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 17

Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK 19

Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM 20

Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray, mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đối một bit đơn 21

Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM 22

Hình 2.1: Ánh hưởng của môi trường vô tuyến 25

Hình 2.2: Tín hiệu đa đường 26

Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyến (ở tần số 900MHz 26

Hình 2.4: Trải trễ đa đường 28

Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 31

Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ 34

Hình 2.8: Phố của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không cóhạn chế băng 35

Hình 3.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM 38

Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức nguờng PAPR khác nhau 40

Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác nhau 42

Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL 45

Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM 47

Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung Symbol OFDM 48

Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC 49

Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Thl với giá trị SNR 50

Hình 3.9: CP trong một Symbol OFDM 53

Hình 3.10: Tín hiệu OFDM 54

Hình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lồi offset thời gian 56

Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết họp có lệch tần số 57

Hình 4.1: Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 59

Hình 4.2: Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM 60

Hình 4.3: Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM 60

Hình 4.4: Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM 61

Hình 4.5: Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM 62

Hình 4.6: Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER 63

Hình 4.7: Giao diện của chương trình được đặt tên là “DATN” 64

Hình 4.8: Giao diện của chương trình được đặt tên là “mophong” 64

Hình 4.9: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế BPSK 65

Hình 4.10: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK 65

Hình 4.11: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16ỌAM 66

Hình 4.12: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 64QAM 66

Hình 4.13: So sánh BER của các kỹ thuật điều chế trong OFDM 67

Hình 4.14: Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM 69

Hình 4.15: Phổ tín hiệu OFDM truyền 69

Hình 4.16: Phổ tín hiệu OFDM nhận 69

Hình 4.17: Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền đi 69

Hình 4.18: Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận được 70

Hình 4.19: Chòm sao QPSK trước CE 70

Hình 4.20: Chòm sao ỌPSK sau CE 70

Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tầnsố 71

Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số 71

Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng phưong thức QAM và OFDM 72

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng Gaussian

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theomã

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

Division Multiplexing số trực giao có mã số sửa sai

DFT Discrete Fourier Transíbrm Phép biến đối Fourier

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

EBNR Energy per Bit to Noise Ratio

Tỷ lệ năng lượng bit trên tạpâm

FDMA Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transíòrm Phép biến đôi Fourier nhanh

FIR

Finite ĩmpulse Response (digital

ĩilter)

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tẩn

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang

ỈDFT

Transíòrm

Phép biến đổi Fourier ngược

IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tưong hồ

IFFT ĩnverse Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đối nhanhngược Fourier

ỈSỈ Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí tự

MỈMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần

PAPR Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trêncông suất trung bình

PGM Phase Code Modulation Điều chế xung mã

PRS Pseudo Random Sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên

Điều chế biên vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shiít Keying Khóa dịch pha vuông góc

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SIR Signal to ĩnterference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

s/p Serial to Parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp sangsong song

TDD Time Division Duplexing

Song công phân chia theothời gian

TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theothời gian

Division Multiplexing số trực giao vector

w iMax Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu

Microwave Access với truy nhập vi ba

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây

WOFDM Wide-band Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiplexing số trục giao băng rộng

CHƯƠNG 1 TỒNG QUÁN VÈ OFDM

Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán củaOFDM Các phương thức cơ bản, sự trực giao, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóngmang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM như: BPSK, QPSK,ỌAM Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu, nhược điếm của hệ thống OFDM cũngđược trình bày ở đây

1.1 Khải niệm về OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênhphân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênhbăng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóngmang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy phổcủa mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang kháctrong hệ thống Ket quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

5ii>carriers

Hình 1.1 Phổ của tín hiệu OFDM [1]

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta cóthê liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảythành một dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia rathành từng dòng nước nhỏ Ta có thê dùng tay đê chặn dòng nước từ vòi nướcthông thường nhưng không thế làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cảhai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứngkhác nhau đối với nhiễu Ta cũng có thế liên tưởng tới sự vận chuyến hàng hóabằng xe tải Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM)hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loạihàng hóa nhung trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có

OFDM

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau giũa FDM và OFDM

1.2 Các nguyên lỷ cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trựcgiao Vì khoảng thời gian Symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độthấp 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 khoảngthời gian bảo vệ trong mỗi Symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗiSymbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ đế tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phố và kỹ thuật điều chế đasóng mang chồng phố có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta

có thế tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóngmang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóngnày cần trục giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóngmang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng pho

'Á hàng hóa bị mất.

trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thế, có thế tăng dung lượng đáng

kế cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mangtùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng 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 sóngmang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độthấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bô một cách trực giao.Nhờ thực hiện biến đối chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gianSymbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyềndẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều diêm Trong phát thanh thông thường mồi đàiphát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM đế duy trì sựngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mồi trạmvới các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạmđược kết họp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này đượctruyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cảcác sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số vớinhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang nàychồng lấp nhau trong miền tần số, nhung không gây can nhiễu giữa các sóng mang

(ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần cókhoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh đế ngăn ngừa can nhiễu Điều này làmgiảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng manglàm giảm đáng kê khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phô.

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDMĐầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song songtốc độ thấp hơn nhờ bộ s/p (Serial/Parrallel - Bộ chuyến đối nối tiếp/song song).Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hồn hợp Những Symbol hỗn hợp được đưađến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng vớicác kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảmnhiễu 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 chuyến đối lên tần số cao đếtruyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễugây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,

Ở phía thu, tín hiệu được chuyến xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đượctại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyến từ miền thờigian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùyvào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóngmang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) CácSymbol hồn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùngchúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế đế ánh xạ tínhiệu thông tin tạo thành dạng có thế 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 làdạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: FM(Frequency Modulation- điều chế tần số), AM (Amplitude Modulation- điều chếbiên độ), PM (Phase Modulation- điều chế pha) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơnchung cho thông tin số gồm: ASK (Amplitude Shift Keying- khoá dịch biên độ),FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoádịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc)

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 dừ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k(bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phố với các chuỗi ngẫu nhiên PN cótốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trênnhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băngthông kênh truyền, tăng hệ số trải phố, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăngkhả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt đếbảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISIgiữa những sóng mang nhưng phổ 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 mangtrực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoahay chồng phổ

Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]

1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn [5]

Hình 1.9 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 khitruyền 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 phứctạp Đây chính là nguyên nhân đế các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Neu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóngmang, mỗi sóng mang tải một phần dừ liệu có ích và được trải đều trên cả băngthông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu cóích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữliệu có ích

Hình 1.10: cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [5]

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thuđược chính xác Đe khôi phục dữ liệu đã mất, nguời ta sử dụng phuơng pháp sửa lỗitiến FFC Ớ máy thu, mồi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường vàgiải điều chế Tuy nhiên, đe không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải cókhoảng bảo vệ khi hiệu quả phô kém.

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyềnsong song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thếtận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự, Đe làm được điềunày, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điềuchế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là khôngthế chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đốiĨDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điềuchế, giải điều chế H OTI nữa, ĨFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việcbiến đôi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thựchiện phép biến đối IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗisóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng:

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

Trong đó, ai k : là dừ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k

trong Symbol OFDM thứ 1

L : chiều dài tiền tố lặp (CP)Khoảng cách sóng mang nhánh là

T NTSGiải pháp khắc phục hiệu quả phố kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) làgiảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phô của các sóng mang cạnh nhautrùng lặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mangđược chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường họp sóng mangtrực 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 nhưngcòn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giáthành thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệmạch tích họp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.

1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của cácsóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóngmang được cách nhau trong một khoảng phù hợp đê tín hiệu thu có thê nhận lạibàng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máynhư 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 phố của hệ thống.Các tín hiệu là trục giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao làmột đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (Multiple ĩníòrmation Signal) đượctruyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra

mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo

ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu vàlàm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cáchgiữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang đượcđịnh vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mồi sóng mang Tuy nhiên,

có thế sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủlên nhau mà các tín hiệu vẫn có thế thu được chính xác mà không có sự can nhiễugiữa các sóng mang Đe có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao vềmặt toán học Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mangxuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của Symbol đếphục hồi dữ liệu gốc Neu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóngmang này (trong một chu kỳ I, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ làzero) Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảngcách giữa các sóng là bội số của l/i Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự cannhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao

Hình 1.11: Các sóng mang trực giaoPhần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ

bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ĨSI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi

là CP (Cycle Prefíx - tiền tố lặp)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mangcon khác Thêm vào đó, nhò' kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và ĨFFT nên hệthống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc

xử lý băng tần gốc

1.5 ĩ Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phố của

nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin(x)/x) Đó là kết quả thời gian Symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang.Mồi Symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (Tfft) Thời gianSymbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1 /TFFT Hz Dạng sónghình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần

số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặtcân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trựcgiao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiệnnhờ biến đối Fourier rời rạc (DFT)

Mô tả toán học của OFDMMô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín

hiệu, cách vận hành của

máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trựcchuẩn (Orthogonal Basis)

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

được thế hiện bởi công thức:

Trong đó: 0) = Cừo + n A 0)

Neu 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 thế hiện bởi công thức:

Ở điếm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn

đế thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một Symbol dữ liệu Ta có mối quan

ị N -1

(1.4)

So sánh (1.4) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:

Biểu thức (1.4) và (1.5) là tương đương nếu:

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/r, đạt đến yêu cầu của tính trực

giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn T.

Neu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao cho phéptruyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có cannhiễu OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tinriêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tông cáchiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ Dải tần sổ cơ bản của mộttải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian Symbol Ket quả là các tải phụ có một

số nguyên các chu kỳ trong một Symbol và chúng trực giao với nhau

Hình 1.12: Thêm CP vào Symbol OFDM

Việc xử lý tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụngcác thuật toán xử lý tín hiệu số Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụngtrong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cúucác vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúngvuông góc với nhau và tích của hai vector là bằng 0 Điếm chính ở đây là nhân haitần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.

▲

v2 = 0

V -—•

Hình 1.13: Tích 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:

2nk

J sin( (0 t)dt = 00

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đườngcong Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau,kết quả cũng sẽ bằng 0

Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tân sô khác nhau

0 J

0 : góc pha ban đầu có giá trị không đôi từ 0 đến 2 K và khôngảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

1 = 1 : tương ứng với Symbol 0

1=2 : tương ứng với Symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180° như trên được gọi là các tín hiệu đốicực

Neu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: 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(t) ta được:

Si(t) =

J Y cos[(2.i-1).—]cos(2/zfct)-.í^sin[(2i-1)]—.sin(2;zfct) ( 0 < t < T )

(1.16)Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

Vậy, bốn bản tin úng với các vector được xác định như sau:

n.

S: =

VẼsin[(2i-l)-]

4 VẼcos[(2i-l) n

S:,S;- (i = 1,2,3,4) (1.19)

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điếm tín hiệu điều chế ỌPSKtrong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:

Bảng 1.2: Các thông số của điều chế QPSK

Xem bảng ta thấy, mức T thay đổi vào - V Ẽ , còn logic '0' thì biến đổi vào

VẼ Vì cùng một lúc phát đi một Symbol nên luồng vào phải phân thành hai tươngứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng

(điều chế biên độ gốc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫnpha Điều chế QAM là có ưu điếm là tăng dung lượng truyền dẫn số.

Dạng tổng quát của điều chế ọ AM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:

Si (t) = cos(2^fct)

-Trong đó, E0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

aị, bị : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bảntin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tậphợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc"

Có thế phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:

1.7 Các ưu, nhược điềm của OFDM

Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm củaOFDM như sau:

- 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 họp, hệ thống OFDM có thế khôiphục 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 thíchúng được sử dụng trong nhũng hệ thống đon sóng mang

- Sử dụng kỹ thuật DFT để bố sung vào các chức năng điều chế và giải điềuchế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầuvào 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 điếm 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 hệthống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợinghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bãohòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Neu tín hiệu OFDM tỷ số P A R R lớn hơn thì sẽgây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biếnđổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệucũng 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 thốngđơn sóng mang, vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệthống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mangcon trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điềuchế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiếtyếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.

1.8 Ket luận

Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liênquan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lêntín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên

độ, có thế bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất Chương sau sẽ đề cậpđến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM

CHƯƠNG 2 CÁ c ĐẶc TỈNH CỦA KÊNH TR UYÊN

VÔ TUYẾN

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi truờng truyền sóng giữa máy phát và máythu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyềntheo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thayđối Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượngcủa hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

2.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thong OFDM

2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu (Âttenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trìnhtruyền tù' điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do cáctòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làmsuy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thế làm suygiảm tín hiệu