CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN về OFDM trong ỨNG DỤNG MATLAB TRONG mô PHỎNG OFDM

CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM - 2.1 Giới thiệu chương: Chương giới thiệu khái niệm, nguyên lý OFDM Các nguyên lý OFDM, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang kỹ thuật điều chế OFDM Bên cạnh đặc tính hiệu ứng đa đường hệ thống OFDM, thuận lợi khó khăn hệ thống OFDM, ứng dụng ưu nhược điểm hệ thống OFDM đưa 2.2 Định nghĩa nguyên lý hệ thống OFDM: 2.2.1 Định nghĩa: Kỹ thuật OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó kết hợp mã hóa ghép kênh Thông thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới tín hiệu độc lập từ nguồn độc lập tổ hợp lại Trong OFDM, tín hiệu độc lập sóng mang Đầu tiên tín hiệu chia thành nguồn độc lập, mã hóa sau ghép kênh lại để tạo nên sóng mang OFDM OFDM trường hợp đặc biệt FDM (Frequency Divison Multiplexing) Ta liên tưởng kênh truyền FDM giống dòng nước chảy, nước chảy thành dòng lớn, kênh truyền OFDM giống nước chảy vòi sen, chia thành dòng nước nhỏ Ta dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường làm tương tự với nước chảy vòi sen Mặc dù hai kỹ thuật thực chung công việc mà lại có phản ứng khác nhiễu 2.2.2 So sánh khác hệ thống FDM hệ thống OFDM: OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu sóng mang với Các sóng mang chồng lấp miền tần số không gây can nhiễu sóng mang (ICI: inter-carrier interference) chất trực giao 16 điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, tượng giao thoa kí tự ISI sóng mang Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu phổ có khoảng bảo vệ (guard period) cách giảm khoảng cách sóng mang cho phép phổ sóng mang cạnh trùng lắp Sự trùng lắp phép khoảng cách sóng mang chọn xác cho đỉnh sóng mang qua diểm không sóng mang tức sóng mang trực giao để tín hiệu khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ Dãy thông tiết kiệm Hình 2.1: Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung không chồng xung 17 Hình 2.2: Phổ OFDM FDM 2.2.3 Nguyên lý hệ thống OFDM: Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có khác Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu sóng mang, nghĩa sóng cần trực giao với Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang 18 Ch.1 Dãy thông tiết kiệm Tần số (a) Tiết kiệm băng thông (b) Tần số Hình 2.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) Về chất, OFDM trường hợp đặc biệt phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bổ cách trực giao Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, phân tán theo thời gian gây trải rộng trễ truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để trì ngăn cách đài Tuy nhiên kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, tín hiệu thông tin từ nhiều trạm kết hợp dòng liệu ghép kênh đơn Sau liệu truyền sử dụng khối OFDM tạo từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, không gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để ngăn ngừa can 19 nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM đóng gói trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu phổ Dữ liệu nhị phân Sắp xếp Dữ liệu Sắp xếp lại S/P Chèn pilot P/S Ước lượng kênh x(n) IDFT Chèn dải bảo vệ y(n) Y(k) DFT Loại bỏ dải bảo vệ xf(n) h(n) P/S Kênh S/P + yf(n) AWGN w(n) Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IDFT Khối tính toán mẫu thời gian tương ứng với kênh nhánh miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vô tuyến đa đường Sau lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đổi lên tần số cao để truyền kênh Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu chuyển xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyển từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyển biên độ pha sóng mang nhánh cân bằng cân kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Cuối thu nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu 20 Tất hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng truyền hiệu kênh thông tin Một phạm vi rộng sơ đồ điều chế phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin dạng sóng analog 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 nguyên tắc phân chia luồng liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); luồng liệu thành phần trải phổ với chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ R c (bit/s) Sau điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền nhiều sóng mang trực giao Phương pháp cho phép sử dụng hiệu băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI tăng khả giao thoa sóng mang Trong công nghệ FDM truyền thống, sóng mang lọc riêng biệt để bảo đảm chồng phổ, tượng giao thoa ký tự ISI sóng mang phổ lại chưa sử dụng với hiệu cao Với kỹ thuật OFDM, khoảng cách sóng mang chọn cho sóng mang trực giao chu kỳ ký tự tín hiệu khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ Hình 2.5: Phổ sóng mang OFDM 2.2.3.1 Đơn sóng mang (Single Carrier): 21 Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Hình 2.6: Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 2.6 mô tả cấu trúc chung hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát xung định dạng lọc phía phát Sau truyền kênh đa đường Ở phía thu, lọc phối hợp với kênh truyền sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) thiết bị thu nhận liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu phức tạp Đây nguyên nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 2.2.3.2 Đa sóng mang (Multi-Carrier): Nếu truyền tín hiệu sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thông chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khôi phục liệu có ích Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 22 Do vậy, sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, liệu gốc thu xác Để khôi phục liệu mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC Ở máy thu, sóng mang tách dùng lọc thông thường giải điều chế Tuy nhiên, để can nhiễu sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ hiệu phổ OFDM kỹ thuật điều chế đa sóng mang, liệu truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang bit thông tin Bằng cách ta tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu ký tự,…Để làm điều này, sóng mang phụ cần máy phát sóng sin, điều chế giải điều chế riêng Trong trường hợp số sóng mang phụ lớn, điều chấp nhận Nhằm giải vấn đề này, khối thực chức biến đổi IDFT/DFT dùng để thay hàng loạt dao động tạo sóng sin, điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT xem thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh gọn cách giảm số phép nhân phức thực phép biến đổi IDFT/DFT giúp tiết kiệm nhớ cách tính chỗ Mỗi sóng mang hệ thống OFDM viết dạng: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta biểu diễn tín hiệu dạng sau: S (t ) = Trong đó, al,k N N-1 ∑∑a l l,k e j 2πk (t −lTs ( N +L )) k =0 : liệu đầu vào điều chế sóng mang nhánh thứ k symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) Khoảng cách sóng mang nhánh 1 = T NTs Giải pháp khắc phục hiệu phổ có khoảng bảo vệ (Guard Period) giảm khoảng cách sóng mang cho phép phổ sóng mang cạnh trùng lặp Sự trùng lắp phép khoảng cách sóng mang chọn xác Khoảng cách chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với 23 Đó phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ năm 1980, người ta có ý tưởng phương pháp hạn chế mặt công nghệ, khó tạo 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 đưa vào ứng dụng thực tiễn 2.2.3.3 Tính trực giao: Một tín hiệu gọi trực giao có quan hệ độc lập với tín hiệu khác Tính trực giao đặc tính cho phép truyền lúc nhiều thông tin kênh chung mà không gây nhiễu Chính tính trực giao nguyên nhân gây suy giảm tín hiệu viễn thông Orthogonal có mối quan hệ xác tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, sóng mang cách khoảng phù hợp để tín hiệu thu nhận lại cách sử dụng lọc giải điều chế thông thường Trong máy vậy, khoảng bảo vệ cần dự liệu trước sóng mang khác Việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm hiệu sử dụng phổ hệ thống Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao khía cạnh khoảng cách tín hiệu không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho sóng mang định vị xác điểm gốc phổ điều chế sóng mang Tuy nhiên, xếp sóng mang OFDM cho dải biên chúng che phủ lên mà tín hiệu thu xác mà can nhiễu sóng mang Để có kết vậy, sóng mang phải trực giao mặt toán học Máy thu hoạt động gồm giải điều chế, dịch tần sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận lấy tích phân chu kỳ symbol để phục hồi liệu gốc Nếu sóng mang dịch xuống tần số tích phân sóng mang (trong chu kỳ τ, kết tính tích phân sóng mang khác zero Do đó, sóng mang độc lập tuyến tính với (trực giao) khoảng cách sóng bội số 1/τ Bất kỳ phi tuyến gây can nhiễu sóng mang ICI làm tính trực giao 24 Hình 2.8: Các sóng mang trực giao Phần đầu tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn dạng sóng, lại dễ bị ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự (ISI) Do đó, phần lặp lại, gọi tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix) Do tính trực giao, sóng mang không bị xuyên nhiễu sóng mang khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa FFT IFFT nên hệ thống OFDM đạt hiệu việc lọc dải thông mà việc xử lý băng tần gốc 2.3 Các kỹ thuật điều chế OFDM: 2.3.1 Điều chế M-PSK: PSK (Phase Shift Keying), tiếng Việt gọi điều chế số theo pha tín hiệu Tín hiệu PSK có dạng sóng dao động có tần số f, bit đặc trưng góc pha khác tín hiệu 2.3.1.1 Điều chế BPSK: Trong hệ thống điều chế BPSK, cặp tín hiệu s1(t), s2(t) sử dụng để biểu diễn kí hiệu số hai "0" "1" định nghĩa sau: 25 Hình 2.9 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK Khi tín hiệu điều chế BPSK truyền qua kênh chịu tác động nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế xác định theo công thức sau:  Eb Pe = Q  N0     Trong đó, Eb : Năng lượng bit N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng 2.3.1.2 Điều chế QPSK Đây phương pháp thông dụng truyền dẫn Công thức cho sóng mang điều chế PSK mức sau:  2E  S i (t ) =  T cos(2πt + θ (t ) + θ )   ≤t ≤T t 〈0; t 〉T Với θ pha ban đầu ta cho θ (t ) = (2i − 1) π Trong đó, i = 1,2,3,4 tương ứng ký tự phát "00", "01", "11", "10" T = 2.Tb (Tb: Thời gian bit, T: thời gian ký tự) E : lượng tín hiệu phát triển ký tự 27 Khai triển s(t) ta được:  2E π  Si (t ) =  T cos[(2.i − 1) ] cos( 2πf c t ) −   2E π sin[(2i − 1)] sin( 2πf c t ) (0 ≤ t ≤ T ) T T < t; t < Chọn hàm lượng trực chuẩn sau: Φ1 (t ) = − Φ2 (t ) = sin( 2πf c t ) T ≤t ≤T sin( 2πf c t ) T ≤ t ≤T Khi đó: si (t ) =φ1(t ) E sin[( 2i −1) π ] +φ2 (t ) E cos[(2i −1) π ] Vậy, bốn tin ứng với vector xác định sau: π   E sin[( i − ) ]  s   si =  =  i1   π  E cos[(2i −1)  si   4 (i = 1,2,3,4) Quan hệ cặp bit điều chế tọa độ điểm tín hiệu điều chế QPSK tín hiệu không gian cho bảng sau: Cặp bit Pha tín hiệu Điểm tín hiệu Tọa độ điểm tin 1Ф 2Ф vào QPSK Si 00 π S1 E 01 3π S2 E 11 5π S3 − E 10 7π S4 − E E − E − E E 28 Ta thấy tín hiệu PSK mức đặc trưng vector tín hiệu hai chiều bốn tin hình vẽ Hình 2.10 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào − E , logic '0' biến đổi vào E Vì lúc phát symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng biến đổi mức nhân nhân với hai hàm trực giao tương ứng  Ưu nhược điểm điều chế M-PSK:  Ưu điểm: Có độ lớn đỉnh tín hiệu truyền không đổi (constant envelope) vấn đề khuyếch đại trước truyền dễ dàng hơn, có hiệu Điều có hiệu ứng thực truyền môi trường công suất truyền bị khống chế (chẳng hạn thông tin di động)  Nhược điểm: Khi M lớn (truyền tốc độ bits/symbol cao) khoảng cách hình học tín hiệu truyền nhỏ điều đòi hỏi phải tăng công suất truyền (hoặc phương pháp khác mã hoá chống nhiễu) đảm bảo chất lượng tín hiệu thu 29 2.3.2 Điều chế M-QAM: QAM (Quadrature Amplitude Modulation), tiếng Việt gọi Điều chế biên độ trực giao, kỹ thật điều chế tín hiệu số có tốc độ liệu cao gấp lần điều chế BPSK tần số Tín hiệu QAM bao gồm thành phần: in phase quadrature trực giao với theo góc pha (phase)  Điều chế QAM: Trong hệ thống PSK, thành phần đồng pha vuông pha kết hợp với tạo thành tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, loại bỏ loại thành phần đồng pha vuông pha độc lập với ta sơ đồ điều gọi điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưu điểm tăng dung lượng truyền dẫn số Dạng tổng quát điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) xác định sau: S1 (t ) = E0 cos(2πf c t ) − T E0 bi sin( 2πf c t ); (0 ≤ t ≤ T ) T Trong đó, E0 : lượng tín hiệu có biên độ thấp , bi : cặp số nguyên độc lập chọn tùy theo vị trí tin Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc điều chế tập hợp tin tín hiệu rời rạc Vì có tên " điều chế tín hiệu vuông góc" Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm sở: Φ1 (t ) = − Φ2 (t ) = bi sin( 2πf c.t ) T sin( 2πf c.t ) T ≤t ≤T ≤t ≤T 30 Hình 2.11: Chùm tín hiệu M-QAM 2.4 Đặc tính hiệu ứng đa đường hệ thống OFFDM: 2.4.1 Fading lựa chọn tần số: Trong đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không phẳng có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ dẫn đến tín hiệu đa đường công suất tín hiệu tương tự tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu nhiễu Toàn tín hiệu bị đường truyền băng hẹp đáp ứng tần số xảy kênh truyền Có thể khắc phục hai cách : - Truyền tín hiệu băng rộng sử dụng phương pháp trải phổ CDMA nhằm giảm bớt suy hao - Phân toàn băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, kênh có sóng mang, sóng mang trực giao với sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu trải băng thông rộng, phổ xảy tất tần số sóng mang Kết có vài tần số sóng mang bị Thông tin sóng mang bị khôi phục cách sử dụng kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC 2.4.2 Dịch Doppler: Khi nguồn tín hiệu bên thu chuyển động tương nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển chiều (hướng nhau) tần số 31 nhận lớn tần số tín hiệu phát, ngược lại chúng di chuyển xa tần số tín hiệu thu giảm xuống Đây gọi hiệu ứng Doppler Khoảng tần số thay đổi hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động nguồn phát nguồn thu tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler tính theo công thức: ∆f ≈ ± f o ν c Trong ∆f khoảng thay đổi tần số tần số tín hiệu máy thu ν tốc độ thay đổi khác tần số tín hiệu máy phát f o tần số tín hiệu, c tốc độ ánh sáng Dịch Doppler lại vấn đề nan giải kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) tốc độ tương đối thu phát cao trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp 2.4.3 Nhiễu AWGN: Nhiễu tồn tất hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ khuếch đại bên thu, nhiễu liên ô (inter-cellular interference) Các loại nhiễu gây nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu làm giảm tỉ số tín hiệu nhiễu SNR, giảm hiệu phổ hệ thống Và thực tế tùy thuộc vào loại ứng dụng, mức nhiễu hiệu phổ hệ thống phải lựa chọn Hầu hết loại nhiễu hệ thống mô cách xác nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian loại nhiễu phổ biến hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu có mật độ phổ công suất đồng băng thông biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động nhiễu Gaussian nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến kênh truyền chịu tác động nhiễu Gaussian trắng cộng Nhiễu nhiệt (sinh chuyển động nhiệt hạt tải điện gây ra) loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, 32 hệ thống OFDM, số sóng mang phụ lớn hầu hết thành phần nhiễu khác coi nhiễu Gaussian trắng cộng tác động kênh xét kênh riêng lẻ đặc điểm loại nhiễu thỏa mãn điều kiện nhiễu Gaussian trắng cộng 2.4.4 Nhiễu liên ký tự ISI: Nhiễu ISI ICI hai loại nhiễu thường gặp ảnh hưởng kênh truyền nhiễu Gaussian trắng cộng Như giới thiệu trên, ISI gây trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt giảm tốc độ liệu Nhưng với nhu cầu yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do giải pháp thực Đề nghị đưa để giảm ISI đưa vào ứng dụng thực tế chèn tiền tố lặp CP vào ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, việc tìm hiểu quan trọng để nâng cao chất lượng hệ thống OFDM 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 Trong hệ thống OFDM, để giảm nhiễu ISI, phương pháp đơn giản thông dụng đưa vào tiền tố lặp CP 2.4.5 Nhiễu liên sóng mang ICI: 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 không Máy thu lấy mẫu ký tự liệu sóng mang riêng lẻ điểm cực đại điều chế chúng tránh nhiễu từ sóng mang khác Nhiễu gây liệu sóng mang kế cận xem nhiễu liên sóng mang hay nhiễu xuyên kênh (ICI) hình 2.12 ICI xảy kênh đa đường thay đổi thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler thành phần đa đường gây dịch tần số sóng mang, kết tính 33 trực giao chúng ICI xảy ký tự OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang máy phát máy thu gây nhiễu ICI hệ thống OFDM Các sóng mang phụ trực giao với Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây nhiễu liên sóng mang ICI Hình 2.12: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI hệ thống OFDM 2.4.6 Tiền tố lặp CP: Tiền tố lặp (CP) kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ Để thực kỹ thuật này, trình xử lý, tín hiệu OFDM lặp lại có chu kỳ phần lặp lại 34 phía trước ký tự OFDM sử dụng khoảng thời gian bảo vệ ký tự phát kề nhau.Vậy sau chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền ký tự (T s) lúc bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T g) thời gian truyền thông tin có ích T FFT (cũng khoảng thời gian IFFT/FFT phát ký tự) copy TFFT Ký tự OFDM hữu ích Ký tự OFDM mở rộng vòng Tín hiệu trực tiếp Tín hiệu trễ Tín hiệu trễ cuối Dãy thông tiết kiệm Hình 2.13: Mô tả tiền tố lặp 35 Ta có: Ts = Tg + TFFT Ký tự OFDM lúc có dạng: n = −ν ,−ν + 1, ,−1  x(n + N ) xT (n) =  n = 0, 1, , N −  x (n) Tỉ lệ khoảng bảo vệ Tg thời khoảng ký tự hữu ích T FFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần phụ thuộc vào loại hình ứng dụng khác Nếu tỉ lệ lớn tức Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy nhiên, phải lớn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm trì tính trực giao sóng mang nhánh loại bỏ xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại thông số xuất tín hiệu truyền không gian chịu ảnh hưởng tượng đa đường (multipath effect), tức tín hiệu thu thu không đến từ đường trực tiếp mà đến từ đường phản xạ khác nhau, tín hiệu đến thu thời điểm khác Giá trị trải trễ cực đại xác định khoảng thời gian chênh lệch lớn thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp thời điểm tín hiệu thu qua đường phản xạ Tiền tố lặp (CP) có khả loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI cho phép tăng khả đồng (đồng ký tự, đồng tần số sóng mang) hệ thống OFDM Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu tố tương tự tiền tố, khoảng bắt đầu tín hiệu lấy IFFT chép đưa phía sau tín hiệu Thêm vào hậu tố chống nhiễu ISI ICI thường cần sử dụng tiền tố làm giảm hiệu suất băng thông Nếu sử dụng tiền tố lặp chiều dài phải lớn trải trễ lớn Còn sử dụng tiền tố hậu tố lặp tổng chiều dài chúng phải lớn độ trải trễ lớn kênh truyền 2.4.7 Khoảng bảo vệ : Thành phần ISI việc truyền tín hiệu OFDM bị sai điều kiện trình xử lý tín hiệu, máy thu không thu nhận thông tin symbol truyền Điều có nghĩa máy thu cần khoảng thời gian có độ dài xác 36 định thời gian symbol có ích để xác định symbol OFDM Khoảng thời gian gọi Orthogonality Interval (khoảng trực giao) Một lý quan trọng để sử dụng kỹ thuật OFDM kỹ thuật có khả giải cách hiệu vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread) Bằng cách chia luồng liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ symbol tăng lên Ns lần, làm giảm tỉ lệ trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần Để loại bỏ ISI cách gần triệt để, khoảng thời gian bảo vệ thêm vào cho symbol OFDM Khoảng thời gian chọn cho lớn trải trễ để thành phần trễ (do multipath) từ symbol gây nhiễu lên symbol kế cận Khoảng thời gian không chứa tín hiệu Tuy nhiên, trường hợp ICI xuất gây nhiễu sóng mang phụ làm sóng mang phụ không trực giao Nhiễu lựa chọn tần số vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM mềm dẻo CDMA giải vấn đề OFDM khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) truyền với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra, kênh phụ suy giảm nghiêm trọng tần số OFDM có lựa chọn để giảm tỷ lệ lỗi bit giảm bớt số bit mã hóa cho tín hiệu điều chế kênh tần số Để giảm bớt phức tạp vấn đề đồng hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM điều chỉnh tần số thích hợp việc thêm GI đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu sử dụng tần số Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng nhiễu xung Tức xung tín hiệu nhiễu tác động xấu đến chùm tín hiệu thay số ký tự CDMA điều làm tăng tỷ lệ lỗi bit OFDM so với CDMA Đối với băng thông hệ thống cho tốc độ symbol tín hiệu OFDM thấp nhiều tốc độ symbol sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, OFDM băng thông hệ thống chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ Nc lần 37 so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt can nhiễu can nhiễu ISI gây truyền lan nhiều đường Hình 2.14: OFDM có khoảng bảo vệ khoảng bảo vệ Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM cách thêm vào khoảng bảo vệ trước symbol Khoảng bảo vệ tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài dạng sóng symbol Symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có số nguyên lần chu kỳ Việc đưa vào symbol nối đuôi tạo thành tín hiệu liên tục, gián đoạn chỗ nối Như việc chép đầu cuối symbol đặt để đầu vào tạo khoảng thời gian dài 38 2.5 Các đặc tính hệ thống OFDM: Qua chất OFDM, ta tóm tắt ưu điểm nhược điểm OFDM sau: 2.5.1 Ưu điểm: - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khôi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung nhiễu xuyên kênh kết hợp Ngoài ưu điểm OFDM có hạn chế 2.5.2 Nhược điểm: - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hòa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ 39 digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì vậy, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM 2.5.3 Ứng dụng hệ thống OFDM: Mặc dù OFDM phát minh từ năm 60, hệ thống thực vào thời điểm đó, việc điều chế liệu lên sóng mang cách xác, việc tách sóng mang phụ phức tạp, thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc thực hệ thống chưa phát triển Tuy nhiên sau 20 năm phát minh, kỹ thuật OFDM dễ dàng thực với chi phí rẻ ứng dụng rộng rãi nhờ vào phát triển phép biến đổi Fourier nhanh FFT IFFT Cũng giống kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM ứng dụng lĩnh vực thông tin quân Đến năm 1980 kỹ thuật OFDM nghiên cứu nhằm ứng dụng modem tốc độ cao truyền thông di động Kể từ năm 1990, OFDM ứng dụng truyền dẫn thông tin băng rộng HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau OFDM ứng dụng rộng rãi phát số DAB truyền hình số DVB Những năm gần OFDM sử dụng chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 802.16 IEEE tiếp tục nghiên cứu ứng dụng chuẩn động 4G OFDM chứng tỏ ưu điểm hệ thống viễn thông thực tế, đặc biệt hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao thông tin di động truyền hình số Các nơi có địa hình phức tạp vùng nông thôn, ngoại ô, thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả truy cập không dây băng rộng triển khai 40 thời gian thực Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắn hệ thống có nhiều tính cao khả truyền dẫn tốt điều kiện kết nối rộng lớn, giúp nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng diện rộng với số trạm gốc giảm Với tính ưu việt nó, kĩ thuật OFDM hãng viễn thông giới ứng dụng hiệu vào số sản phẩm nhằm đáp ứng yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi Wimax Các sản phẩm thiết kế đặc biệt cho ứng dụng điểm - điểm, điểm - đa điểm điều kiện bị che chắn Sự kết hợp công nghệ modem OFDM điều chế thích nghi linh hoạt có thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng yếu tố tạo nên tính trội sản phẩm viễn thông 2.6 Kết luận chương: Nội dung chương đưa khái niệm số vấn đề liên quan OFDM Chương giới thiệu vài đặc tính kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu truyền không gian Đồng thời loại nhiễu thường gặp hệ thống OFDM đề cập đến Trong thực tế phải xét ảnh hưởng kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trình truyền Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu bị suy giảm biên độ, bị thông tin số chỗ, mát công suất… Để hạn chế nhiễu ảnh hưởng kênh truyền đa đường chương sau đề cập đến số kỹ thuật ứng dụng OFDM 41 ... Line) sau OFDM ứng dụng rộng rãi phát số DAB truyền hình số DVB Những năm gần OFDM sử dụng chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 8 02. 11 8 02. 16 IEEE tiếp tục nghiên cứu ứng dụng chuẩn động 4G OFDM chứng tỏ... Φ1 (t ) = − 2 (t ) = bi sin( 2 f c.t ) T sin( 2 f c.t ) T ≤t ≤T ≤t ≤T 30 Hình 2. 11: Chùm tín hiệu M-QAM 2. 4 Đặc tính hiệu ứng đa đường hệ thống OFFDM: 2. 4.1 Fading lựa chọn tần số: Trong đường... chồng phổ Dãy thông tiết kiệm Hình 2. 1: Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung không chồng xung 17 Hình 2. 2: Phổ OFDM FDM 2. 2.3 Nguyên lý hệ thống OFDM: Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành