tai-lieu-tham-khao-ofdm

Chương 3: Kỹ thuật OFDM CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT OFDM 3.1 Giới thiệu chƣơng Trong hệ thông tin vô tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí liệu sóng mang Các hệ thống thơng tin tần số hạn chế tốc độ liệu hạn chế dung lượng Để giảm nhiễu phương pháp phát tín hiệu tương tự trước AM, FM cần thiết phải tăng công suất máy phát, băng tần rộng hiệu sử dụng băng tần thấp Đa phân chia để chia sẻ độ rộng băng tần với nhiều kênh liệu độc lập khác Năm 1980 trung tâm nghiên cứu Pháp (tập đoàn Telecom) CCETT (Centre Commun d'Étude en Dédiufftion ét Télécommunication), đưa phương pháp để truyền tín hiệu số mà tiết kiệm băng tần OFDM OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia toàn băng tần thành nhiều sóng mang nhánh mà sóng mang phải trực giao Ngày nay, kỹ thuật OFDM ứng dụng hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, hệ thống phát truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) DVB–T (Digital Video Boadcasting – Terrestrial) OFDM giải pháp kỹ thuật đề cử cho chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network) Do vậy, chương sâu vào tìm hiểu đặc điểm OFDM: Nguyên tắc OFDM, tính chất trực giao OFDM, nhiễu ISI ICI, thuật toán FFT/IFFT, vấn đề kỹ thuật xây dựng mơ hình hệ thống OFDM 3.2 Nguyên tắc OFDM Trong OFDM chuỗi liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) chia thành N chuỗi song song (từ chuỗi liệu đến chuỗi liệu N) có tốc độ thấp (R/N) N chuỗi điều chế N sóng mang phụ trực giao, sau sóng mang cộng với phát lên kênh truyền đồng thời, mô tả hình 3.1 Ở phía q trình thu tin ngược lại Trang: 27 Chương 3: Kỹ thuật OFDM å Dữ liệu tổng Dữ liệu N Chèn chuỗi bảo vệ Tốc độ R Dữ liệu Bộ điều chế Dữ liệu Bộ phân chuyển đổi nối tiếp / song song Dữ liệu Tin Tốc độ R/N Hình 3.1: Sơ đồ trình phát tin Bản chất trực giao sóng mang phụ OFDM cho phép phổ chuỗi sau điều chế chồng lấn lên mà đảm bảo việc tách riêng biệt thành phần phía thu Nhờ mà hiệu sử dụng băng tần tăng đáng kể tránh nhiễu sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) Ta thấy điều qua phổ tín hiệu OFDM tín hiệu FDM hình 3.2 Hình 3.2: Phổ tín hiệu FDM OFDM Mặt khác, chuỗi liệu nối tiếp tốc độ cao chia thành chuỗi có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu chuỗi nhỏ nhiều so với tốc độ chuỗi ban đầu, ảnh hưởng nhiễu liên ký tự ISI, hiệu ứng trễ trải giảm bớt Nhờ giảm độ phức tạp cân phía thu Trang: 28 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Hình 3.3: a.Tác động nhiễu hệ thống đơn sóng mang b.Tác động nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ưu điểm kỹ thuật OFDM khả chống lại fading chọn lọc tần số nhiễu băng hẹp Ở hệ thống đơn sóng mang, tác động nhỏ nhiễu gây ảnh hưởng lớn đến tồn tín hiệu (Hình 3.3a) Nhưng hệ thống đa sóng mang, có nhiễu phần trăm nhỏ sóng mang bị ảnh hưởng (Hình 3.3b), ta khắc phục phương pháp mã hố sửa sai 3.3 Tính trực giao Các tín hiệu trực giao chúng độc lập với Tính trực giao tính chất cho phép nhiều tín hiệu thơng tin truyền thu tốt kênh truyền chung xun nhiễu tín hiệu Mất tính trực giao làm cho tín hiệu thơng tin bị xuyên nhiễu lẫn đầu thu khó khơi phục lại hồn tồn thơng tin ban đầu Trong OFDM, sóng mang chồng lắp với tín hiệu khơi phục mà khơng có xun nhiễu sóng mang kế cận sóng mang có tính trực giao Một tập tín hiệu gọi trực giao đơi hai tín hiệu tập thỏa điều kiện * (t)dt  K S (t).S   i j 0 TS i j i j (3.1) với S*(t) ký hiệu liên hợp phức S(t) Ts chu kỳ ký hiệu K số.Tập N sóng mang phụ kỹ thuật OFDM có biểu thức: Trang: 29 Chương 3: Kỹ thuật OFDM k  sin(2 t ) TS f k (t)   0   t  TS (3.2) t  (0, TS ) với k = 0, 1, …, N-1 Các sóng mang có tần số cách khoảng FS  trực giao TS đôi thỏa điều kiện (3.1)  k   k  Ta xét hai sóng mang Sin  2 t  Sin  2 t   TS   TS   k1 Sin 0  π TS TS   k t .Sin  π   TS  S t t   t dt   cos2 πk  k   cos2 πk  k  dt  (3.3) 0 TS TS   T Hình 3.4: Phổ sóng mang trực giao Như vậy, sóng mang thuộc tập (3.2) trực giao đơi hay cịn gọi độc lập tuyến tính Trong miền tần số, phổ sóng mang phụ có dạng hàm sincx ký hiệu miền thời gian giới hạn xung chữ nhật Mỗi sóng mang phụ có đỉnh tần số trung tâm vị trí null điểm cách tần số trung tâm khoảng bội số FS Vì vậy, vị trí đỉnh sóng mang vị trí null sóng mang cịn lại (Hình 3.4) Và sóng mang không gây nhiễu cho 3.4 Sử dụng FFT/IFFT OFDM Như biết, OFDM kỹ thuật điều chế đa sóng mang, liệu truyền song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang bit thông tin Bằng cách Trang: 30 Chương 3: Kỹ thuật OFDM ta tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu ký tự, Tuy nhiên, điều bất lợi số sóng mang cần có máy phát sóng sin, điều chế giải điều chế riêng nó, điều khơng thể chấp nhận số sóng mang phụ lớn việc thi công hệ thống Nhằm giải vấn đề này, thuật tốn IDFT/DFT có vai trò giống hàng loạt điều chế giải điều chế Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài N (n = 0,1, 2, …, N-1) Công thức phép biến đổi DFT là[10] N 1 X ( k )   x ( n)e  j Nkn , k = 0, 1, …, N-1 n 0 (3.4) - Công thức phép biến đổi IDFT x ( n)  N 1 N  X ( k )e j Nkn k 0 , k = 0, 1, …, N-1 (3.5) - Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) thuật tốn giúp cho việc tính tốn DFT nhanh gọn hơn.Từ cơng thức (3.4), (3.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm:  Thời gian thực phép nhân phức  Thời gian thức phép cộng phức  Thời gian đọc hệ số e  j 2N  Thời gian truyền số liệu Trong chủ yếu thời gian thực phép nhân phức Vì vậy, muốn giảm thời gian tính tốn DFT người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực phép nhân phức Mà thời gian thực phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân Do để giảm thời gian tính DFT người ta phải giảm số lượng phép tính nhanh cách sử dụng thuật tốn FFT Để tính trực tiếp cần N phép nhân Khi tính FFT số phép nhân cịn tính trực tiếp N log N Vì tốc độ tính FFT nhanh 2N log N Ngồi FFT cịn có ưu điểm giúp tiết kiệm nhớ cách tính chỗ Trang: 31 Chương 3: Kỹ thuật OFDM 3.5 Nhiễu giao thoa ký tự nhiễu giao thoa sóng mang 3.5.1 Khái niệm Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với khoảng thời gian khác thông qua nhiều đường khác Sự mở rộng chu kỳ ký tự gây chồng lấn ký tự thời với ký tự trước kết có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu ký tự OFDM với ký tự trước Hình 3.5: Phổ bốn sóng mang trực giao Trong OFDM, phổ sóng mang chồng lấn trực giao với sóng mang khác Điều có nghĩa tần số cực đại phổ sóng mang phổ sóng mang khác zero Máy thu lấy mẫu ký tự data sóng mang riêng lẻ điểm cực đại điều chế chúng tránh nhiễu từ sóng mang khác Nhiễu gây ký tự sóng mang kế cận xem nhiễu xuyên kênh (ICI) Trang: 32 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Tính chất trực giao sóng mang nhìn thấy giản đồ miền thời gian miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều tương ứng với sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm khơng tần số trung tâm sóng mang khác Hình 3.5 biểu diễn phổ bốn sóng mang miền tần số cho trường hợp trực giao Tính trực giao sóng mang với sóng mang khác bị giá trị sóng mang không không tần số trung tâm sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin khơng dài số ngun lần lặp khoảng FFT Biên độ Hình 3.6 biểu diễn phổ bốn sóng mang khơng trực giao tần số Hình 3.6: Phổ bốn sóng mang khơng trực giao ICI xảy kênh đa đường khác thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler thành phần đa đường gây bù tần số sóng mang, kết tính trực giao chúng ICI xảy ký tự OFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang máy phát máy thu gây ICI đến ký tự OFDM Trang: 33 Chương 3: Kỹ thuật OFDM 3.5.2 Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu Hình 3.7: Ảnh hƣởng ISI Hình 3.7 cho ta thấy ký hiệu phiên trễ Chính thành phần trễ gây nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu ký hiệu Đây nhiễu liên ký hiệu ISI Hình 3.8: Chèn khoảng bảo vệ khoảng trống Để loại bỏ ảnh hưởng ISI, dời ký hiệu thứ i xa ký hiệu trước (ký hiệu i – 1) khoảng khoảng trễ trải (τmax) Một khoảng rỗng chèn vào hai ký hiệu (Hình 3.8), tín hiệu bị thay đổi đột ngột tính liên tục Vì vậy, thực tế người ta chèn khoảng bảo vệ ∆G copy từ phần cuối ký hiệu dán vào phần đầu ký hiệu hình 3.9 Khoảng bảo vệ gọi cyclic prefix Chiều dài khoảng bảo vệ cần hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, phải dài khoảng trễ trải kênh truyền nhằm loại bỏ nhiễu ISI Ở máy thu, khoảng bảo vệ loại bỏ trước thực giải điều chế Trang: 34 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Hình 3.9: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 3.6 Các vấn đề kỹ thuật OFDM - OFDM giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vơ tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để đem áp dụng vào hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải thực hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh + Đồng sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio) - Vấn đề thứ liên quan trực tiếp đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM dùng phương pháp giải điều chế liên kết, hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý nhược điểm OFDM Ngoài ra, để nâng cao tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM 3.6.1 Ƣớc lƣợng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) hệ thống OFDM xác định hàm truyền đạt kênh thời gian để thực giải điều chế bên thu bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation) Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng tín hiệu bên thu biết trước pha biên độ Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu với tín hiệu pilot nguyên thủy cho biết ảnh hưởng kênh truyền dẫn Trang: 35 Chương 3: Kỹ thuật OFDM đến tín hiệu phát Ước lượng kênh phân tích miền thời gian miền tần số Trong miền thời gian đáp ứng xung h(n) kênh ước lượng Trong miền tần số đáp ứng tần số H(k) kênh ước lượng Có hai vấn đề quan tâm sử dụng PSAM :  Vấn đề thứ lựa chọn tín hiệu pilot : Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao lượng băng thông sử dụng tín hiệu Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot thực giản đồ thời gian-tần số, kỹ thuật OFDM cho khả lựa chọn cao so với hệ thống đơn sóng mang Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng lớn đến tiêu hệ thống  Vấn đề thứ hai việc thiết kế ước lượng kênh: Phải giảm độ phức tạp thiết bị đảm bảo độ xác yêu cầu Yêu cầu tốc độ thông tin cao (tức thời gian xử lý giảm) tiêu hệ thống hai yêu cầu ngược Vì vậy, thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu 3.6.2 Đồng OFDM Đồng vấn đề quan tâm kỹ thuật OFDM có ý nghĩa định đến khả cải thiện nhược điểm OFDM Chẳng hạn, không đảm bảo đồng tần số sóng mang dẫn đến nguy tính trực giao sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM ưu điểm đặc trưng nhờ trực giao Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng khác : Đồng ký tự (symbol synchronization), đồng tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), đồng tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 3.6.2.1 Đồng ký tự Đồng ký tự nhằm xác định xác thời điểm bắt đầu ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) đồng ký tự thực cách dễ dàng Hai yếu tố cần ý thực đồng ký tự lỗi thời gian (timing error) nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise) Trang: 36 Chương 3: Kỹ thuật OFDM  Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây sai lệch thời điểm bắt đầu ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ cho đáp ứng xung kênh nằm chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) hệ thống đảm bảo trực giao sóng mang Trong trường hợp thời gian trễ ký tự xem độ dịch pha kênh truyền độ dịch pha xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, chiều dài CP nhỏ lỗi thời gian hệ thống xuất lỗi ISI Có hai phương pháp để thực đồng thời gian, là: Đồng thời gian dựa vào tín hiệu pilot đồng thời gian dựa vào tiền tố lặp Phương pháp đồng thời gian dựa vào tín hiệu pilot áp dụng cho hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát mã hóa số tín hiệu biết trước thơng tin pha biên độ số sóng mang phụ Phương pháp sau điều chỉnh để sử dụng cho hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm bước : nhận biết công suất (power detection), đồng thô (coarse synchronization)và đồng tinh (fine synchronization)  Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang tượng khơng ổn định pha sóng mang không ổn định tạo dao động bên phát bên thu 3.6.2.2 Đồng tần số sóng mang Trong đồng tần số sóng mang, hai vấn đề quan tâm đến : Lỗi tần số (frequency error) thực ước lượng tần số  Lỗi tần số Lỗi tần số tạo khác biệt tần số hai tao dao động bên phát bên thu, độ dịch tần Doppler, nhiễu pha xuất hiên kênh truyền khơng tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây : suy giảm biên độ tín hiệu thu (vì tín hiệu khơng lấy mẫu đỉnh sóng mang hình sin) tạo nhiễu xuyên kênh ICI (vì sóng mang bị tính trực giao) Trang: 37 Chương 3: Kỹ thuật OFDM  Ƣớc lƣợng tần số Tương tự kỹ thuật đồng ký tự, để thực đồng tần số, sử dụng tín hiệu pilot sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, số sóng mang sử dụng để truyền tín hiệu pilot (thường chuỗi giả nhiễu) Sử dụng ký tự biết trước pha biên độ giúp ta ước lượng độ quay pha lỗi tần số gây Để tăng độ xác cho ước lượng, người ta sử dụng thêm vịng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL) Nhận xét : Một vấn đề cần quan tâm đến mối quan hệ đồng ký tự đồng tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng đồng tần số sóng mang giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách hai sóng mang cạnh Nhưng giảm số sóng mang phải giảm chu kỳ ký tự sóng mang, dẫn đến việc đồng ký tự khó khăn phải chặt chẽ Điều chứng tỏ hai vấn đề đồng có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có dung hịa hợp lý để hệ thống đạt tiêu kỹ thuật đề 3.6.2.3 Đồng tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, xuất bất đồng đồng hồ bên phát bên thu Người ta đưa hai phương pháp để khắc phục bất đồng Phương pháp thứ sử dụng dao động điều khiển điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai gọi : Lấy mẫu không đồng Trong phương pháp này, tần số lấy mẫu giữ nguyên tín hiệu xử lý số sau lấy mẫu để đảm bảo đồng 3.6.3 Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) - Tỉ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình hạn chế tín hiệu OFDM Khi tỉ số cao, việc sử dụng khuyếch đại công suất không đạt hiệu suất cao phải dành dự trữ cơng suất để tránh nhiễu phi tuyến Như vậy, giảm PAPR yêu cầu quan trọng hệ thống sử dụng OFDM - PAPR ký tự OFDM tỉ số giá trị lớn bình phương mẫu đơn lẻ miền thời gian với giá trị trung bình bình phương mẫu này: Trang: 38 Chương 3: Kỹ thuật OFDM PAPR  max m  ,1, N 1 Xm Xm (3.6) - PAPR biểu diễn dải biên độ mẫu tạo bên máy phát tín hiệu OFDM Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc ký tự khơng gian tín hiệu - Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do ký tự khơng gian tín hiệu khác pha độ lớn nên PAPR=1 Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8 - Có hai phương pháp giảm PAPR :  Đưa thêm số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM  Sử dụng xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) cho tín hiệu miền thời gian sau IDFT có PAPR thấp 3.7 Hệ thống OFDM Nhiễu Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống OFDM Trang: 39 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Sơ đồ hệ thống OFDM cho hình 3.10 Ở máy phát, chuỗi liệu nối tiếp qua S/P biến đổi thành N chuỗi song song, chuỗi qua điều chế Ở ngõ điều chế, ta thu chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức vào IFFT: k j 2 n j 2f t N 1 N 1 N k n d n    Dk .e  Dk .e N k 0 N k 0 (do (3.7) f k n  k n  f k nTs  f k t n với Ts chu kỳ ký hiệu, fk tần số sóng mang) N fs Ngõ IFFT mẫu rời rạc ký hiệu OFDM miền thời gian y(n)  Re{d[n]}  N  N N 1  Re{( A k  jB k ).(cos2f k t n  jsin2f k t n )} k 0 N 1  ( A cos 2f t k k n  Bk sin2f k t n ) (3.8) k 0 Các mẫu y(n) chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), khuếch đại, đưa lên tần số cao phát lên kênh truyền y (t )  N N 1  ( A cos2f t  B sin2f t ) k k k k (3.9) k 0 Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu Gausian trắng cộng AWGN Ở máy thu, ta làm trình ngược lại: Tín hiệu OFDM đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, đưa vào FFT Sau giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi liệu ban đầu N 1 Dk    d n.e  j 2 k n N n 0 3.8 Ƣu điểm khuyết điểm OFDM 3.8.1 Ƣu điểm + Tăng hiệu sử dụng băng thông Trang: 40 (3.10) Chương 3: Kỹ thuật OFDM + Bền vững với fading chọn lọc tần số ký hiệu có băng thơng hẹp nên sóng mang phụ chịu fading phẳng + Chống nhiễu liên ký hiệu ISI chu kỳ ký hiệu dài với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM + Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT + Có thể truyền liệu tốc độ cao 3.8.2 Khuyết điểm + Nhạy với offset tần số - Chỉ cần sai lệch nhỏ làm tính trực giao sóng mang phụ Vì OFDM nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler - Các sóng mang phụ thật trực giao máy phát máy thu sử dụng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng hiệu chỉnh offset tần số sóng mang tín hiệu thu + Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng ICI ISI + Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn tín hiệu OFDM tổng N thành phần điều chế tần số khác Khi thành phần đồng pha, chúng tạo ngõ tín hiệu có biên độ lớn Ngược lại, chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu làm ngõ Chính vậy, PAPR hệ thống OFDM lớn 3.9 Tổng kết chƣơng Trong chương trình bày chi tiết kỹ thuật OFDM, đồng thời phân tích vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến tiêu chất lượng hệ thống sử dụng OFDM Do hệ thống MC-CDMA dựa kết hợp kỹ thuật CDMA OFDM nên kiến thức chương trước giúp hiểu rõ tìm hiểu kỹ thuật MC-CDMA Trang: 41