tim hieu ky thuat ofdm fbmc va mo phong fbmc co code ben duoi

Tìm hiểu về kĩ thuật OFDM và FBMC .OFDM là chữ viết tắt tiếng anh của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, dịch sang tiếng Việt có nghĩa là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang (MultiCarrier Modulation). Kỹ thuật OFDM các sóng mang được trực giao với nhau, như vậy phổ của các sóng mang phụ có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Nhờ sự chồng lấn phổ này mà hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn so với các kỹ thuật điều chế thông thường.Sự trực giao trong miền thời gian ở đây chính là tín hiệu kế tiếp và tín hiệu hiện tại cách nhau đúng một chu kỳ trong cùng một khoảng thời gian là một symbol. Tín hiệu đầu tiên ta thấy có một chu kỳ trong một symbol, tín hiệu thứ hai có hai chu kỳ. Cứ như vậy ta có thể có rất nhiều tín hiệu OFDM trực giao nhau trong miền thời gian.

TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM, FBMC

VÀ MÔ PHỎNG FBMC

AFB Analysis Filter Bank

CP Cyclic Prefix

FBMC Filter Bank Multi-Carrier

FDM Frequency Division Multiplexing

FFT Fast Fourier Transform

I Inphase

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI Inter-symbol Interference

OFDM Orthogonal Frequency-Division MultiplexingOQAM Offset-Quadrature Amplitude ModulationP/S Parallel to Serial

PSF Pulse Shaping Filter

PSK Phase-shift keying

Q Quadrature

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QSK Quadrature Shift Keying

S/P Serial to Parallel

SFB Synthesis Filter Bank

Tên đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC và mô phỏng FBMC

Yêu cầu của đề tài:

- Tìm hiểu lý thuyết về kỹ thuật OFDM và FBMC

- Mô phỏng toàn bộ các khối của kỹ thuật FBMC bằng phần mềm Matlab (Cógiao diện GUIDE)

Cấu trúc báo cáo đồ án :

- Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết, sơ đồ khối và chức năng từng khối của kỹthuật OFDM cũng như ưu và nhược điểm của hệ thống này

- Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết, sơ đồ khối và chức năng từng khối của kỹthuật FBMC So sánh giữa hai kỹ thuật OFDM và FBMC

- Chương 3: Chương trình mô phỏng kỹ thuật FBMC trên Matlab, các điềukiện mô phỏng, yêu cầu mô phỏng, kết quả mô phỏng và nhận xét

- Chương 4: Dựa trên những kiến thức đã tìm hiểu được và chương trình môphỏng trên phần mềm Matlab để đưa ra kết luận cho đề tài

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật OFDM

OFDM là chữ viết tắt tiếng anh của Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, dịch sang tiếng Việt có nghĩa là ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiao Là trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang (Multi-Carrier Modulation) Kỹ thuật OFDM các sóng mang được trực giao với nhau, nhưvậy phổ của các sóng mang phụ có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thểkhôi phục lại được tín hiệu ban đầu Nhờ sự chồng lấn phổ này mà hệ thống có hiệusuất sử dụng phổ lớn hơn so với các kỹ thuật điều chế thông thường

Hình 1.1 Tín hiệu trực giao trong miền thời gian và tần số [2]

Sự trực giao trong miền thời gian ở đây chính là tín hiệu kế tiếp và tín hiệu hiệntại cách nhau đúng một chu kỳ trong cùng một khoảng thời gian là một symbol Tínhiệu đầu tiên ta thấy có một chu kỳ trong một symbol, tín hiệu thứ hai có hai chu

kỳ Cứ như vậy ta có thể có rất nhiều tín hiệu OFDM trực giao nhau trong miền thờigian

Sự trực giao trong miền tần số tức là tại đỉnh của một tín hiệu thì các tín hiệukhác có giá trị là không như trên hình ta có thể thấy được điều đó

Hình 1.2a Phổ tín hiệu FDM, 1.2b Phổ tín hiệu OFDM [4]

Nhờ sự trực giao này mà hiệu suất sử dụng phổ của OFDM cao hơn rất nhiều sovới FDM như trên hình đã cho ta thấy được một khoảng tiết kiệm băng thông rấtlớn

1.2 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

Hình 1.3 Sơ đồ khối của OFDM

Trên đây là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM cơ bản Các tín hiệu đầu vàođược điều chế số sau đó chuỗi dữ liệu được chia thành những chuỗi con song song

có tốc độ thấp và mỗi chuỗi con này được điều chế và phát đi trên một sóng mangcon trực giao riêng Bên phía thu sẽ làm ngược lại với bên phát để cho ra tín hiệuphát ban đầu

1.2.1 Điều chế số

Dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế số trước hoặc sau khi qua khối S/P Cácphương thức điều chế số thường dùng trong hệ thống OFDM là M-PSK (PhaseShift Keying) và M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)

Điều chế PSK tức là sóng mang chỉ thay đổi pha phụ thuộc bit ngõ vào, một sốM-PSK thường gặp:

- BPSK có 2 trạng thái pha tương đương 1 bit vào

- QPSK có 4 trạng thái pha tương đương 2 bit vào

- 8-PSK có 8 trạng thái pha tương đương 3 bit vào

- 16-PSK có 16 trạng thái pha tương đương 4 bit vào

M-PSK có biểu thức tổng quát như sau:

Hình 1.5 Chòm sao M-PSK [6]

Điều chế QAM tức là sóng mang có thể thay đổi cả về pha và biên độ Điều chếQAM là điều chế biên độ vuông góc, sử dụng hai sóng mang vuông góc là cosine vàsine Mỗi sóng mang vuông góc được điều chế một chuỗi độc lập các bit thông tin.Biểu thức tổng quát M-QAM:

Trong đó:

- ai1 và ai2 là một trong các mức của symbol được điều chế QAM

- ai1 , ai2 = ± a, ± 3a, ± 5a, ± ( log 2 M-1)a

- Ts là độ rộng một symbol

- fc là tần số sóng mang

Hình 1.6 Điều chế 8QAM [12]

Hình 1.7 Biểu đồ chòm sao 8-QAM [1]

Chuỗi dữ liệu vào: 00000000010101011010101011111111

Sau khi chia thành 4 luồng theo hàng là:

Khối IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) tức là biến đổi ngược Fourier nhanh,khối này có chức năng chuyển đổi các tín hiệu đã được điều chế PSK hoặc QAMtrong miền tần số về miền thời gian sau đó được thêm khoảng vảo vệ ở khối chèn

CP và được truyền đi trên kênh truyền

Hình 1.9 Chức năng IFFT [11]

Biểu thức biến đổi IFFT tổng quát:

Trong đó:

- X(k) là các mẫu tín hiệu trong miền tần số

- X(n) là mẫu tín hiệu trong miền thời gian

- N là số điểm IFFT/FFT

- k=0,1, ,N-1

Khối CPin có chức năng chính là chèn khoảng bảo vệ để tránh nhiều xuyên kí tựgiữa các kí tự (symbol) Do có truyền lan đa đường, tín hiệu tại điểm thu sẽ có hiệntượng trải trễ Do vậy các phiên bản thu được của symbol đi theo nhiều tia khácnhau sẽ lấn lên nhau về mặt thời gian, gây nên nhiễu xuyên kí tự ISI (InterSymbolInterference) Để khắc phục, người ta sử dụng khoảng bảo vệ CP hay tiền tố vòng,chính là sao chép một phần cuối tìn hiệu đưa lên đầu của tín hiệu đó

Hình 1.10 OFDM không và có khoảng bảo vệ [1]

Ngược lại với khối S/P, khối này có chức năng là chuyển đổi dữ liệu song songsang nối tiếp để truyền đi trên kênh truyền

Hình 1.11 Khối S/P [1]

1.2.6 Khối cyclic prefix out

Tín hiệu sau khi được thu từ kênh truyền sẽ được loại bỏ khoảng bảo vệ ở khốinày Nếu trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không có hiện tượng giao thoa giữa các

kí tự trước và kí tự hiện tại, do đó sẽ không gây ra nhiễu ISI và ICI Tuy nhiên, dotín hiệu nhận được tại máy thu là tổng của các thành phần đa đường nên sẽ gây ra

sự dịch pha cho các sóng mang Việc ước lượng lại kênh truyền ở máy thu sẽ khắcphục sự dịch pha này

Hình 1.12 Sự dịch pha do trải trễ đa đường [1]

- X(k) là các mẫu tín hiệu trong miền tần số

- X(n) là các mẫu tín hiệu trong miền thời gian

- N là số điểm IFFT/FFT

1.3 Ưu và nhược điểm của hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM đạt hiểu quả sử dụng phổ tần cao, nhờ tính trực giao của cácthành phần sóng mang con Nhờ kỹ thuật OFDM, các hệ thống thông tin di động đãđược tăng băng thông một cách đáng kể

Hệ thống OFDM loại trừ được nhiễu xuyên symbol (ISI) và nhiễu giữa các sóngmang (ICI) bằng cách chèn thêm một khoảng bảo vệ trước mỗi symbol

Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể do sử dụng FFT và IFFT

Hệ thống OFDM có thể truyền tốc độ cao

Trong hệ thống OFDM, một khe thời gian chỉ có 1 user sử dụng User đó đượctruyền thông tin bằng nhiều sóng mang con trực giao làm giảm tính linh hoạt và cóthể gây fading.

Ví dụ, trong hệ thống OFDMA hai user có thể dùng chung 1 khe thời gian Chothấy đây cũng là một nhược điểm của hệ thống OFDM cơ bản

Do OFDM phải sử dụng khoảng bảo vệ nên hiểu suất sử dụng băng thông cũng

bị giảm đi đáng kể Khoảng bảo vệ có thể chiếm tới ¼ băng thông của tín hiệuOFDM

Hình 1.14 Khe thời gian OFDM và OFDMA [13]

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU KỸ THUẬT FBMC

2.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật FBMC

FBMC là chữ viết tắt của Filter bank Multicarrier – Điều chế lọc đa sóng mang

Là một cải tiến của OFDM, FBMC có nhiều điểm tương đồng với CP-OFDM.OFDM có sử dụng tiền tố vòng (CP) còn FBMC sử dụng bộ lọc hình xung FBMCkhông có tiền tố cyclic, nhờ sự hiệu quả của việc lọc, và kết quả là nó có thể cungcấp một mức độ hiệu quả quang phổ rất cao

Hình 2.1 Phổ của OFDM và FBMC [9]

Quan sát hình ảnh trên ta có thể thấy phổ của tín hiệu FBMC có 2 thùy bên sựgợn sóng nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu OFDM, nhờ vậy FBMC có hiệu quả sửdụng công suất hơn OFDM

2.2 Sơ đồ khối của kỹ thuật FBMC

Hình 2.2 Sơ đồ khối FBMC [14]

Trên đây là sơ đồ khối của một hệ thống FBMC cơ bản Các tín hiệu đầu vàođược điều chế OQAM sau đó chuỗi dữ liệu được chia thành những chuỗi con song

song có tốc độ thấp và mỗi chuỗi con này được điều chế và phát đi trên một sóngmang con trực giao riêng sau đó được qua một bộ lọc hình xung Bên phía thu sẽlàm ngược lại với bên thu để cho ra tín hiệu phát ban đầu.

Do hệ thống FBMC chỉ khác cơ bản so với OFDM ở các khối điều chế số vàkhối lọc nên ở hệ thống FBMC chỉ trình bày phần điều chế OQAM và khối lọc

OQAM là chữ viết tắt của Offset-Quadrature Amplitude Modulation tức là điềuchế biên độ vuông góc dịch thời

Ở đây tín hiệu Q được làm trễ một bit so với tín hiệu I, và Q bằng cách cho mộttín hiệu trễ một bit so với tín hiệu kia

Việc làm này khiến cho sự chuyển trạng thái của tín hiệu ở kênh này (thí dụ kênhI) luôn luôn xảy ra ở ngay điểm giữa của tín hiệu của kênh kia (kênh Q), như vậytrong một cặp bit IQ bất kỳ chỉ có sự thay đổi của một bit duy nhất và điều này đưađến kết quả là các tín hiệu ở ngã ra tổng hợp chỉ lệch pha 0° hoặc ±90° chứ khôngphải 180° như ở QAM

Vậy điểm thuận lợi của OQAM là giới hạn được sự lệch pha của tín hiệu ra vàtránh được các xung đột biến (lệch pha tới 1800) khi phục hồi tín hiệu nhị phân

Hình 2.3 Sơ đồ chòm sao OQAM

Trong chương trình mô phỏng FBMC, điều chế OQAM chính là ánh xạ tín hiệulên chòm sao của phương pháp điều chế OQAM Cho ra các ký hiệu OQAM I/Q(các phần thực/ảo) Quá trình giải điều chế bên phía thu diễn ra ngược lại, dựa vàotín hiệu I và Q thu được ta có thể giải điều chế ra chuỗi bit vào ban đầu bên phía thu

2.2.2 Khối lọc pulse shaping filter

Tín hiệu sau khi qua bộ biến đổi IFFT sẽ được đưa qua bộ lọc hình xung Ở đây,

ta sử dụng bộ lọc của dự án Phydyas có dạng như sau:

Hình 2.4 Bộ lọc Phydyas trong miền thời gian

Hình 2.5 Bộ lọc Phydyas trong miền tần số [15]

Ở đây tín hiệu vào sẽ được nhân trực tiếp với bộ lọc Phydyas trong miền thờigian, sau đó sẽ được qua bộ P/S để nối tín hiệu lại để truyền đi trên kênh truyền

Hình 2.6 Tín hiệu FBMC chưa qua bộ lọc

Hình 2.7 Tín hiệu FBMC sau khi qua bộ lọc

Tín hiệu bên phía thu sẽ được đưa vào bộ lọc hình xung Phydyas một lần nữa đểgiảm sai số trong quá trình truyền tín hiệu trên kênh truyền (channel) Quá trình nàydiễn ra tương tự như bên phía thu, chỉ khác tín hiệu vào đã được lọc một lần ở phíaphát Để bên phía thu có thể giải điều chế được tín hiệu, sau khi được lọc ta phảitiến hành tính toán lại các giá trị và chuẩn hóa lại chuỗi tín hiệu thu được Do bênphía phát đã phát đi là một chuỗi gồm bốn tín hiệu gốc được lặp lại Ta tiến hànhcộng dồn bốn tín hiệu này lại bên phía thu sau đó chuẩn hóa ta được tín hiệu gầnđúng như ban đầu bên phía thu Để có thể giải điều chế chính xác ta tiến hành làmtròn giá trị này

Do tín hiệu được lọc trước khi truyền đi như trên giúp hệ thống giảm tối đa ảnhhưởng của nhiễu xuyên kí tự mặc dù FBMC không sử dụng khoảng bảo vệ nào

2.3 So sánh hai kỹ thuật OFDM và FBMC

Hệ thống FBMC là một cải tiến của OFDM nên về cơ bản FBMC vẫn có nhiều

một multicarrier dựa trên các filter bank, trong đó IFFT cộng với CPin thay thếbằng băng lọc tổng hợp (SFB) trong khi FFT cộng CPout được thay thế bởi bănglọc phân tích (AFB) Cả hai hệ thống cho hiểu quả sử dụng phổ tần cao, nhờ tínhtrực giao của các thành phần sóng mang con

Loại trừ được nhiễu xuyên symbol (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cũng

là thế mạnh của cả hai kỹ thuật này

Tuy nhiên, do hệ thống FBMC không sử dụng khoảng bảo vệ nhưng vẫn đảmbảo giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu đa đường do trải trễ gây ra ISI cũng như ICInên FBMC có hiệu suất sử dụng đường truyền tốt hơn nhiều so với hệ thông OFDM

có khoảng bảo vệ chiếm một phần lớn băng thông mà không mang thông tin có ích

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

3.1 Điều kiện mô phỏng

Chuỗi dữ liệu vào của hệ thống sẽ được điều chế theo phương pháp OQAM vàbên thu sẽ được giải điều chế theo cách ngược lại để cho ra chuỗi dữ liệu ban đầu

Số symbol của hệ thống là hai, số điểm IFFT/FFT được nhập từ bàn phím hoặcđược tính toán khi dữ liệu là nhập từ bàn phím

3.2 Yêu cầu của mô phỏng

Chuỗi dữ liệu đầu vào là một chuỗi bit được tạo ra ngẫu nhiên hoặc được nhập từbàn phím Khi chương trình được chạy sẽ cho ra các biểu đồ của tín hiệu sau mỗikhối của hệ thống FBMC và hiện thị ra giao diện GUIDE Sau cùng dữ liệu ngõ ra

là một chuỗi bit như chuỗi bit ngõ vào ban đầu

3.3 Kết quả mô phỏng

Hình 3.1 Giao diện hệ thống

Hình 3.2 Kết quả FBMC ngõ vào ngẫu nhiên

Hình 3.3 Kết quả FBMC ngõ vào nhập từ bàn phím

Nhận xét: Dựa vào kết quả ta thấy

Dữ liệu nhị phân ở ngõ ra phía thu đã được giải điều chế đúng như bên phíaphát Kết quả này đáp ứng được yêu cầu mô phỏng ngõ vào và ngõ ra là mộtchuỗi bit giống nhau hoàn toàn

Quá trình tạo tín hiệu FBMC bên phía phát diễn ra như sau:

Hình 3.4 Quá trình tạo tín hiệu FBMC phía phát

Đầu tiên, dữ liệu đầu vào là một chuỗi bit sẽ được điều chế bằng cách ánh xạlên chòm sao của kỹ thuật điều chế OQAM

Chuỗi dữ liệu nhị phân đầu vào có thể là một chuỗi bit được tạo ra ngẫu nhiênbằng lệnh: dv=randi([0 1],1,N*4) hoặc được nhập từ bàn phím nhờ lệnh:dv=eval(get(handles.edit1,'string')), chuỗi bit được nhập vào ở khung edit1 trêngiao diện GUIDE sau đó chuỗi bit sẽ được điều chế OQAM

Sau khi được điều chế OQAM, tín hiệu lúc này bao gồm phần thực và phần ảotượng trưng cho giá trị I và Q I là phần thực, còn Q là phần ảo OQAM ở đây làđiều chế 4 mức với ánh xạ như sau:

Bit 00 được điều chế là: -1 + 0j tức là I=-1 và Q=0

Bit 01 được điều chế là: 0 + 1j tức là I=0 và Q=1

Bit 10 được điều chế là: 0 - 1j tức là I=0 và Q=-1

Bit 11 được điều chế là: 1 + 0j tức là I=1 và Q=0

Sau đó, tín hiệu OQAM được qua bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song đểchia thành hai luồng symbol Tiến hành IFFT và lọc qua bộ lọc PSF (Phydyas),cuối cùng qua bộ P/S ta được tín hiệu FBMC được đưa lên kênh truyền

Quá trình thu và giải điều chế tín hiệu FBMC diễn ra như sau:

Hình 3.5 Quá trình thu và giải điều chế tín hiệu FBMC

Sau khi thu được tín hiệu trên kênh truyền, qua bộ S/P chia thành hai luồng tínhiệu sau đó thực hiện lọc PSF (Phydyas) một lần nữa Qua bộ FFT và P/S tađược chuỗi tín hiệu OQAM đã được điều chế như bên phía phát Ta tiến hànhgiải điều chế dựa trên tín hiệu này Các tín hiệu này chính là giá trị I và Q màchuỗi bit bên phía phát đã tiến hành ánh xạ lên chòm sao OQAM Ở phía thu tathực hiện ngược lại sẽ cho ra chuỗi bit được giải điều chế

Tín hiệu I/Q: -1 + 0j được giải điều chế là hai bit: 00

Tín hiệu I/Q: 0 + 1j được giải điều chế là hai bit 01

Tín hiệu I/Q :0 - 1j được giải điều chế là hai bit 10

Tín hiệu I/Q: 1 + 0j được giải điều chế là hai bit 11

Cuối cùng, để hiện thị chuỗi bit ngõ ra ta thực hiện lệnh:set(handles.edit4,'string',dlr), chuỗi dữ liệu nhị phân này sẽ được hiện thị ở khungedit4 trong giao diện GUIDE

Như vậy, hệ thống đáp ứng đủ yêu cầu của mô phỏng cũng như kết quả môphỏng giống như lý thuyết đã tìm hiểu ở chương hai Quá trình tạo, thu tín hiệuFBMC và giải điều chế tín hiệu đã diễn ra giống như lý thuyết đã tìm hiểu banđầu

Công nghệ điều chế lọc đa sóng mang FBMC là một công nghệ hiện đại chotruyền thông vô tuyến trong tương lai Hiện tại một số quốc gia trên thế giới đangtiến hành thử nghiệm FBMC cho hệ thống 5G tiên tiến Hứa hẹn cho tốc độ truyền

dữ liệu cao cũng như hoạt động hiệu quả nhờ những ưu điểm của kỹ thuật này.Chương trình mô phỏng tín hiệu FBMC ở đồ án này chỉ mới thực hiện đượcbước đầu là mô phỏng tổng quan các khối cũng như tín hiệu ngõ vào/ra của từngkhối Có thiết kế hệ thống với giao diện GUIDE trên phần mềm Matlab

Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM cũng như FBMC,người ta có thể sử dụng mã hóa tín hiệu, sử dụng tín hiệu Pilot để ước lượng lạikênh truyền bên phía thu Do đó, có thể phát triển đồ án này nhờ bổ sung các vấn đềtrên