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.
ĐỒ ÁN TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM, FBMC VÀ MÔ PHỎNG FBMC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 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 Multiplexing OQAM Offset-Quadrature Amplitude Modulation P/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 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Tên đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC Yêu cầu đề tài: - Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật OFDM FBMC - Mơ tồn khối kỹ thuật FBMC phần mềm Matlab (Có giao diện GUIDE) Cấu trúc báo cáo đồ án : - Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết, sơ đồ khối chức khối kỹ thuật OFDM ưu nhược điểm hệ thống - Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết, sơ đồ khối chức khối kỹ thuật FBMC So sánh hai kỹ thuật OFDM FBMC - Chương 3: Chương trình mơ kỹ thuật FBMC Matlab, điều kiện mô phỏng, yêu cầu mô phỏng, kết mô nhận xét - Chương 4: Dựa kiến thức tìm hiểu chương trình mơ phần mềm Matlab để đưa kết luận cho đề tài ĐỒ ÁN Trang 6/26 CHƯƠNG TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chung kỹ thuật OFDM OFDM chữ viết tắt tiếng anh Orthogonal Frequency Division Multiplexing, dịch sang tiếng Việt có nghĩa ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Là trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang (MultiCarrier Modulation) Kỹ thuật OFDM sóng mang trực giao với nhau, phổ sóng mang phụ chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Nhờ chồng lấn phổ mà hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ lớn so với kỹ thuật điều chế thông thường Hình 1.1 Tín hiệu trực giao miền thời gian tần số [2] Sự trực giao miền thời gian tín hiệu tín hiệu cách chu kỳ khoảng thời gian symbol Tín hiệu ta thấy có chu kỳ symbol, tín hiệu thứ hai có hai chu kỳ Cứ ta có nhiều tín hiệu OFDM trực giao miền thời gian Sự trực giao miền tần số tức đỉnh tín hiệu tín hiệu khác có giá trị khơng hình ta thấy điều Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 7/26 Hình 1.2a Phổ tín hiệu FDM, 1.2b Phổ tín hiệu OFDM [4] Nhờ trực giao mà hiệu suất sử dụng phổ OFDM cao nhiều so với FDM hình cho ta thấy khoảng tiết kiệm băng thông lớn 1.2 Sơ đồ khối kỹ thuật OFDM Hình 1.3 Sơ đồ khối OFDM Trên sơ đồ khối hệ thống OFDM Các tín hiệu đầu vào điều chế số sau chuỗi liệu chia thành chuỗi song song có tốc độ thấp chuỗi điều chế phát sóng mang trực giao riêng Bên phía thu làm ngược lại với bên phát tín hiệu phát ban đầu Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 8/26 Điều chế số Dữ liệu đầu vào điều chế số trước sau qua khối S/P Các 1.2.1 phương thức điều chế số thường dùng hệ thống OFDM M-PSK (Phase Shift Keying) M-QAM (Quarature Amplitude Modulation) Điều chế M-PSK Điều chế PSK tức sóng mang thay đổi pha phụ thuộc bit ngõ vào, số 1.2.1.1 M-PSK thường gặp: - BPSK có trạng thái pha tương đương bit vào - QPSK có trạng thái pha tương đương bit vào - 8-PSK có trạng thái pha tương đương bit vào - 16-PSK có 16 trạng thái pha tương đương bit vào M-PSK có biểu thức tổng quát sau: Trong đó: - E : lượng symbol - Ts: độ rộng symbol - fc : tần số sóng mang - i : giá trị tương ứng với b bit Hình 1.4 Điều chế M-PSK [6] Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 9/26 Hình 1.5 Chòm M-PSK [6] Điều chế M-QAM Điều chế QAM tức sóng mang thay đổi pha biên độ Điều chế 1.2.1.2 QAM điều chế biên độ vng góc, sử dụng hai sóng mang vng góc cosine sine Mỗi sóng mang vng góc điều chế chuỗi độc lập bit thơng tin Biểu thức tổng qt M-QAM: Trong đó: - ai1 ai2 mức symbol điều chế QAM - ai1 , ai2 = ± a, ± 3a, ± 5a, ± ( log M-1)a - Ts độ rộng symbol - fc tần số sóng mang Hình 1.6 Điều chế 8QAM [12] Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 10/26 Hình 1.7 Biểu đồ chòm 8-QAM [1] Khối S/P Chức khối S/P chia luồng liệu nối tiếp tốc độ cao thành 1.2.2 nhiều luồng liệu song song theo hàng theo cột có tốc độ thấp Hình 1.8 Khối S/P [1] Ví dụ: Chuỗi liệu vào: 00000000010101011010101011111111 Sau chia thành luồng theo hàng là: 00000000 01010101 10101010 11111111 Bốn luồng liệu có tốc độ truyền tốc độ liệu ban đầu tốc độ symbol giảm xuống 1.2.3 Khối IFFT Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 17/26 song có tốc độ thấp chuỗi điều chế phát sóng mang trực giao riêng sau qua lọc hình xung Bên phía thu làm ngược lại với bên thu tín hiệu phát ban đầu Do hệ thống FBMC khác so với OFDM khối điều chế số khối lọc nên hệ thống FBMC trình bày phần điều chế OQAM khối lọc Điều chế giải điều chế OQAM OQAM chữ viết tắt Offset-Quadrature Amplitude Modulation tức điều 2.2.1 chế biên độ vng góc dịch thời Ở tín hiệu Q làm trễ bit so với tín hiệu I, Q cách cho tín hiệu trễ bit so với tín hiệu Việc làm khiến cho chuyển trạng thái tín hiệu kênh (thí dụ kênh I) ln ln xảy điểm tín hiệu kênh (kênh Q), cặp bit IQ có thay đổi bit điều đưa đến kết tín hiệu ngã tổng hợp lệch pha 0° ±90° 180° QAM Vậy điểm thuận lợi OQAM giới hạn lệch pha tín hiệu tránh xung đột biến (lệch pha tới 1800) phục hồi tín hiệu nhị phân Hình 2.3 Sơ đồ chòm OQAM Trong chương trình mơ FBMC, điều chế OQAM ánh xạ tín hiệu lên chòm phương pháp điều chế OQAM Cho ký hiệu OQAM I/Q (các phần thực/ảo) Quá trình giải điều chế bên phía thu diễn ngược lại, dựa vào tín hiệu I Q thu ta giải điều chế chuỗi bit vào ban đầu bên phía thu Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 18/26 Khối lọc pulse shaping filter Tín hiệu sau qua biến đổi IFFT đưa qua lọc hình xung Ở đây, 2.2.2 ta sử dụng lọc dự án Phydyas có dạng sau: Hình 2.4 Bộ lọc Phydyas miền thời gian Hình 2.5 Bộ lọc Phydyas miền tần số [15] Ở tín hiệu vào nhân trực tiếp với lọc Phydyas miền thời gian, sau qua P/S để nối tín hiệu lại để truyền kênh truyền Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 19/26 Hình 2.6 Tín hiệu FBMC chưa qua lọc Hình 2.7 Tín hiệu FBMC sau qua lọc Tín hiệu bên phía thu đưa vào lọc hình xung Phydyas lần để giảm sai số trình truyền tín hiệu kênh truyền (channel) Q trình diễn tương tự bên phía thu, khác tín hiệu vào lọc lần phía phát Để bên phía thu giải điều chế tín hiệu, sau lọc ta phải tiến hành tính tốn lại giá trị chuẩn hóa lại chuỗi tín hiệu thu Do bên phía phát phát chuỗi gồm bốn tín hiệu gốc lặp lại Ta tiến hành cộng dồn bốn tín hiệu lại bên phía thu sau chuẩn hóa ta tín hiệu gần ban đầu bên phía thu Để giải điều chế xác ta tiến hành làm tròn giá trị Do tín hiệu lọc trước truyền giúp hệ thống giảm tối đa ảnh hưởng nhiễu xuyên kí tự FBMC khơng sử dụng khoảng bảo vệ 2.3 So sánh hai kỹ thuật OFDM FBMC Hệ thống FBMC cải tiến OFDM nên FBMC có nhiều điểm tương đồng với OFDM, có thay đổi thay OFDM với Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 20/26 multicarrier dựa filter bank, IFFT cộng với CPin thay băng lọc tổng hợp (SFB) FFT cộng CPout thay băng lọc phân tích (AFB) Cả hai hệ thống cho hiểu sử dụng phổ tần cao, nhờ tính trực giao thành phần sóng mang Loại trừ nhiễu xuyên symbol (ISI) nhiễu sóng mang (ICI) mạnh hai kỹ thuật Tuy nhiên, hệ thống FBMC không sử dụng khoảng bảo vệ đảm bảo giảm tối đa ảnh hưởng nhiễu đa đường trải trễ gây ISI ICI nên FBMC có hiệu suất sử dụng đường truyền tốt nhiều so với hệ thơng OFDM có khoảng bảo vệ chiếm phần lớn băng thơng mà khơng mang thơng tin có ích Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 21/26 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Điều kiện mơ Chuỗi liệu vào hệ thống điều chế theo phương pháp OQAM 3.1 bên thu giải điều chế theo cách ngược lại chuỗi liệu ban đầu Số symbol hệ thống hai, số điểm IFFT/FFT nhập từ bàn phím tính tốn liệu nhập từ bàn phím u cầu mô Chuỗi liệu đầu vào chuỗi bit tạo ngẫu nhiên nhập từ 3.2 bàn phím Khi chương trình chạy cho biểu đồ tín hiệu sau khối hệ thống FBMC thị giao diện GUIDE Sau liệu ngõ chuỗi bit chuỗi bit ngõ vào ban đầu 3.3 Kết mơ Hình 3.1 Giao diện hệ thống Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 22/26 Hình 3.2 Kết FBMC ngõ vào ngẫu nhiên Hình 3.3 Kết FBMC ngõ vào nhập từ bàn phím Nhận xét: Dựa vào kết ta thấy Dữ liệu nhị phân ngõ phía thu giải điều chế bên phía phát Kết đáp ứng yêu cầu mô ngõ vào ngõ chuỗi bit giống hồn tồn Q trình tạo tín hiệu FBMC bên phía phát diễn sau: Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 23/26 Hình 3.4 Q trình tạo tín hiệu FBMC phía phát Đầu tiên, liệu đầu vào chuỗi bit điều chế cách ánh xạ lên chòm kỹ thuật điều chế OQAM Chuỗi liệu nhị phân đầu vào chuỗi bit tạo ngẫu nhiên lệnh: dv=randi([0 1],1,N*4) nhập từ bàn phím nhờ lệnh: dv=eval(get(handles.edit1,'string')), chuỗi bit nhập vào khung edit1 giao diện GUIDE sau chuỗi bit điều chế OQAM Sau điều chế OQAM, tín hiệu lúc bao gồm phần thực phần ảo tượng trưng cho giá trị I Q I phần thực, Q phần ảo OQAM điều chế mức với ánh xạ sau: Bit 00 điều chế là: -1 + 0j tức I=-1 Q=0 Bit 01 điều chế là: + 1j tức I=0 Q=1 Bit 10 điều chế là: - 1j tức I=0 Q=-1 Bit 11 điều chế là: + 0j tức I=1 Q=0 Sau đó, tín hiệu OQAM qua chuyển đổi nối tiếp sang song song để chia thành hai luồng symbol Tiến hành IFFT lọc qua lọc PSF (Phydyas), cuối qua P/S ta tín hiệu FBMC đưa lên kênh truyền Q trình thu giải điều chế tín hiệu FBMC diễn sau: Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 24/26 Hình 3.5 Quá trình thu giải điều chế tín hiệu FBMC Sau thu tín hiệu kênh truyền, qua S/P chia thành hai luồng tín hiệu sau thực lọc PSF (Phydyas) lần Qua FFT P/S ta chuỗi tín hiệu OQAM điều chế bên phía phát Ta tiến hành giải điều chế dựa tín hiệu Các tín hiệu giá trị I Q mà chuỗi bit bên phía phát tiến hành ánh xạ lên chòm OQAM Ở phía thu ta thực ngược lại cho chuỗi bit giải điều chế Tín hiệu I/Q: -1 + 0j giải điều chế hai bit: 00 Tín hiệu I/Q: + 1j giải điều chế hai bit 01 Tín hiệu I/Q :0 - 1j giải điều chế hai bit 10 Tín hiệu I/Q: + 0j giải điều chế hai bit 11 Cuối cùng, để thị chuỗi bit ngõ ta thực lệnh: set(handles.edit4,'string',dlr), chuỗi liệu nhị phân thị khung edit4 giao diện GUIDE Như vậy, hệ thống đáp ứng đủ yêu cầu mô kết mô giống lý thuyết tìm hiểu chương hai Quá trình tạo, thu tín hiệu FBMC giải điều chế tín hiệu diễn giống lý thuyết tìm hiểu ban đầu Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 25/26 CHƯƠNG KẾT LUẬN Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM công nghệ đại cho truyền thông Việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng mở rộng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại nhiễu ISI ICI Đồ án tìm hiểu trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM Cơng nghệ điều chế lọc đa sóng mang FBMC công nghệ đại cho truyền thông vô tuyến tương lai Hiện số quốc gia giới tiến hành thử nghiệm FBMC cho hệ thống 5G tiên tiến Hứa hẹn cho tốc độ truyền liệu cao hoạt động hiệu nhờ ưu điểm kỹ thuật Chương trình mơ tín hiệu FBMC đồ án thực bước đầu mô tổng quan khối tín hiệu ngõ vào/ra khối Có thiết kế hệ thống với giao diện GUIDE phần mềm Matlab Ngoài ra, để nâng cao tiêu chất lượng hệ thống OFDM FBMC, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu, sử dụng tín hiệu Pilot để ước lượng lại kênh truyền bên phía thu Do đó, phát triển đồ án nhờ bổ sung vấn đề Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 26/26 PHỤ LỤC Code chương trình: - Điều chế OQAM c=reshape(dv,N*2,2); for e=1:(N*2) if c(e,:)==[0 0] g(e)=-1; elseif c(e,:)==[1 1] g(e)=1; elseif c(e,:)==[0 1] g(e)=j; else g(e)=(-j); end end - Khối S/P s=reshape(g,N,2); - Khối IFFT: for ntrame=1:Frame aa=ones(N,N); Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 27/26 [m n] =size(aa); for i=1:m for ii=1:n W(i,ii)=exp(-2*pi*j*(ii-1)*(i-1)/N)*aa(i,ii); end end x(:,ntrame)=(1/N)*W*s(:,ntrame); - Khối pulse shaping filter x4=[x(:,ntrame).' x(:,ntrame).' x(:,ntrame).' x(:,ntrame).']; signal=x4.*h; %-TIEN HANH LOC TIN HIEU-% - Khối P/S: y(1+(ntrame-1)*4*N:4*ntrame*N)=y(1+(ntrame-1)*4*N:4*ntrame*N)+signal; - Channel: channel=y; - Khối S/P: for ntrame=1:Frame - Khối pulse shaping filter phía thu: r=channel(1+(ntrame-1)*4*N:4*ntrame*N).*h; - Khối FFT: for e=1:m Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 28/26 for ee=1:n W2(e,ee)=exp(2*pi*j*(ee-1)*(e-1)/N)*aa(e,ee); end end sest(ntrame,:)=W2*u(ntrame,:).'; %-FFT-% - Khối P/S: gnr=reshape(gg,1,N*2); - Giải điều chế OQAM ra=zeros(N*2,2); for rr=1:(N*2) if gnr(rr)==-1 ra(rr,:)=[0 0]; elseif gnr(rr)==1 ra(rr,:)=[1 1]; elseif gnr(rr)==j ra(rr,:)=[0 1]; else ra(rr,:)=[1 0]; end end Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 29/26 ra2=reshape(ra,1,N*4); if luachon==2 if rem(NN,4)==1 for i=1:(4*N-3) ngora(i)=ra2(i); end elseif rem(NN,4)==2 for i=1:(4*N-2) ngora(i)=ra2(i); end elseif rem(NN,4)==3 for i=1:(4*N-1) ngora(i)=ra2(i); end else N=NN/4; ngora=ra2; end else ngora=ra2; Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mơ FBMC ĐỒ ÁN Trang 30/26 end Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 31/26 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Văn Đức (2006) Bộ sách kỹ thuật thông tin số (Tập 2), Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Tiếng Anh: [2] http://www.revolutionwifi.net, “PHY Basics: How OFDM Subcarriers Work” [3] https://www.slideshare.net, “OFDM” [4] https://www.researchgate.net, “FDM and OFDM spectral efficiencies” [5] https://www.researchgate.net, “OFDM Block Diagram” [6] http://www.circuitdesign.de, “Digital modulation: Phase shift keying(PSK) [7] http://www.eepw.com.cn, “OFDM” [8] http://rfmw.em.keysight.com, “Concepts of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and 802.11 WLAN” [9] https://ettrends.etri.re.kr, “5G” [10] http://www.magnadesignnet.com, “Digital Modulation” [11] https://commons.wikimedia.org, “Convolution FFT and IFFT” [12] https://sites.google.com, “Modulador 8-QAM” [13] http://www.differencebetween.com, “Difference Between OFDM and OFDMA” [14] https://www.nutaq.com, “Filter Bank Multicarrier (FBMC)” [15] http://www.sharetechnote.com, “5G - PHY Candidate” Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC mô FBMC ... FBMC không sử dụng khoảng bảo vệ 2.3 So sánh hai kỹ thuật OFDM FBMC Hệ thống FBMC cải tiến OFDM nên FBMC có nhiều điểm tương đồng với OFDM, có thay đổi thay OFDM với Tìm hiểu kỹ thuật OFDM, FBMC. .. [11] https://commons.wikimedia.org, “Convolution FFT and IFFT” [12] https://sites.google.com, “Modulador 8-QAM” [13] http://www.differencebetween.com, “Difference Between OFDM and OFDMA” [14]... thuật OFDM, FBMC mô FBMC ĐỒ ÁN Trang 16/26 CHƯƠNG TÌM HIỂU KỸ THUẬT FBMC Giới thiệu chung kỹ thuật FBMC FBMC chữ viết tắt Filter bank Multicarrier – Điều chế lọc đa sóng mang 2.1 Là cải tiến OFDM,