Hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM

Lời nói đầu 1 Luận văn Hệ thống OFDM Lời nói đầu 2 LỜI NÓI ĐẦU &&& 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 điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM. Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để có thể áp dụng 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: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM. Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM. 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, dịch Doppler, nhiễu AWGN .Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM. Chương 3: VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM. Lời nói đầu 3 Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ trong hệ thống OFDM. Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM. Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG, đặc biệt là thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, tháng 06 năm 2008 Sinh viên thực hiện TRẦN VĂN SÁU Lời nói đầu 4 Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây. 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp 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 khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng Lời nói đầu 5 kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với (a) Tần số Tần số Tiết kiệm băng thông (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). Ch.1 Ch.10 Lời nói đầu 6 nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). 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 hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu 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 chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các x(n) x f (n ) h(n) y f (n ) y(n) Y(k) AWG N Sắp xếp S/P P/S IDFT DFT Chèn pilot Ước lượng kênh Chèn dải bảo vệ Loại bỏ dải bảo vệ Sắp xếp lại Kênh + P/S S/P Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra Lời nói đầu 7 sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu. Serial to Parallel convertor Modulation at f 0 Modulation at f 1 Modulation at f N-1 S 0 S 0 , S 1 , …, S N-1 Serial data stream Parallel to serial convertor Demodulation at f 0 Demodulation at f 1 Demodulation at f N-1 S 0 S N-1 Output Transmitter Receiver Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber Nf=W f 2 f f 0 =1/T f 1 =2/T f N-1 =N/T Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM S N-1 f 2 =3/T Lời nói đầu 8 Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể 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 là dạng sóng analog hoặc 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 trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ R c (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang. Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa 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 mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Lời nói đầu 9 Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM .[2] 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] Hình 1.7 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 khi truyền 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 phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang. 1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích. Lời nói đầu 10 Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9] Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: ))((2 1 0 1 )( LNlTtπkj l N- k l,k s ea N tS      . convertor Modulation at f 0 Modulation at f 1 Modulation at f N-1 S 0 S 0 , S 1 , …, S N-1 Serial data stream Parallel to serial convertor Demodulation. at f 0 Demodulation at f 1 Demodulation at f N-1 S 0 S N-1 Output Transmitter Receiver Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber