-Tong quan ve OFDM_ chương 1

-Tong quan ve OFDM_ chương 1

Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu khái niệm, nguyên lý thuật toán OFDM Các nguyên lý OFDM, mơ tả tốn học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang kỹ thuật điều chế OFDM Bên cạnh ứng dụng ưu nhược điểm hệ thống OFDM đưa 1.2 Các nguyên lý 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 khơng 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 thơng 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Ch.10 Ch.1 Tần số (a) Tiết kiệm băng thơng (b) Tần số Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng 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 khơng có kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, tín hiệu thơng 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM kênh để ngăn ngừa can 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 xf))n )x)n Dữ liệu Sắp nhị xếp phân S/P Chèn pilot )Y)k Dữ liệu Sắp xếp lại P/S Ước lượng kênh Chèn dải bảo vệ IDFT P/S Kênh yf))n )y)n DFT )h)n Loại bỏ dải bảo vệ S/P + AWG N Hình 1.2: 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 dịng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IDFT Khối tính tốn 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 tốn 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM S0 Serial data stream S0, S1, …, SN-1 Modulation at f0 Serial to Parallel convertor Modulation at f1 Transmitter SN-1 Modulation at fN-1 Demodulation at f0 Demodulation at f1 Demodulation at fN-1 S0 Parallel to serial convertor SN-1 Output Receiver Hình 1.3: Hệ thống OFDM f0=1/T ∆f f1=2/T f2=3/T fN-1=N/T ∆f Nf=W Hình 1.4: Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1.5: Symbol OFDM với subscriber Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Tất hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thơng tin tạo thành dạng truyền hiệu kênh thông tin Một phạm vi rộng sơ đồ điều chế phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng 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 thơng tin số bao gồm khố 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 Rc (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 cơng nghệ FDM truyền thống, sóng mang lọc riêng biệt để bảo đảm khơng có chồng phổ, khơng có 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 khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ Hình 1.6: Phổ sóng mang OFDM [2] Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] Hình 1.7 mơ 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 1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu khơng phải sóng mang mà nhiều sóng mang, sóng mang tải phần liệu có ích trải băng thơng chịu ảnh hưởng xấu đáp tuyến kênh có phần liệu có ích bị mất, sở liệu mà sóng mang khác mang tải khơi phục liệu có ích Hình 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9] Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Do vậy, sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, liệu gốc thu xác Để khơi phục liệu mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, sóng mang tách dùng lọc thông thường giải điều chế Tuy nhiên, để khơng có 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 vơ số sóng mang phụ mang bit thơng tin Bằng cách ta tận dụng băng thơng 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 khơng thể 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 [9]: 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM trùng lặp Sự trùng lắp phép khoảng cách sóng mang chọn xác Khoảng cách chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với Đó phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ năm 1980, người ta có ý tưởng phương pháp cịn hạn chế mặt cơng nghệ, khó tạo điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp nên phương pháp đưa vào ứng dụng thực tiễn 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal có mối quan hệ xác tần số sóng mang hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thơng 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 khơng hồn tồn 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 khơng có 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Hình 1.9: Các sóng mang trực giao Phần đầu tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn dạng sóng, lại dễ bị ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần lặp lại, gọi tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix) Do tính trực giao, sóng mang khơng bị xun 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 1.5.1 Trực giao miền tần số Một cách khác để xem tính trực giao tín hiệu OFDM xem phổ Trong miền tần số, sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc )sin )x(/x( Đó kết thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo sóng mang Mỗi symbol OFDM truyền thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc miền tần số Mỗi tải phụ có đỉnh tần số trung tâm số giá trị không đặt cân theo khoảng trống tần số khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM việc truyền kết đỉnh tải phụ Tín hiệu phát nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 1.5.2 Mơ tả tốn học OFDM Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo tín hiệu, cách vận hành máy thu mô tả tác động khơng hồn hảo kênh truyền Về mặt tốn học, trực giao có nghĩa sóng mang lấy từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis) Phương pháp điều chế OFDM sử dụng nhiều sóng mang, tín hiệu thể cơng thức: S s (t ) = N N− ∑A (t ).e c n =0 j [ωn t +Φc ( t ) ] (1.1) Trong đó, ω = ω0 + n ∆ ω Nếu tín hiệu lấy mẫu với tần số lấy mẫu 1/T (với T chu kỳ lấy mẫu), tín hiệu hợp thành thể công thức: S s ( kT ) = N N− A ∑ e n n= j [ ( ω +n∆ ) kT +Φ ] ω n (1.2) Ở điểm khoảng thời gian tín hiệu phân thành N mẫu giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu chu kỳ symbol liệu Ta có mối quan hệ: τ = N.T Khi ω0 = ta có: S s (kT ) = N N −1 ∑A e n =0 n jΦn e j ( n∆ω) kT (1.3) So sánh (1.3) với dạng tổng quát biến đổi Fourier ngược ta có: g ( kT ) = N N −1  n  ∑G NT e   j 2πnk / N (1.4) n =0 10 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Biểu thức (1.3) (1.4) tương đương nếu: ∆ = f 1 = NT τ Đây điều kiện yêu cầu tính trực giao Do kết việc bảo tồn tính trực giao tín hiệu OFDM xác định phép biến đổi Fourier Các thành phần mạng trực giao độc lập tuyến tính với Có thể xem tập hợp sóng mang phát mạng trực giao cho công thức: Ψk (t ) = exp( jωk t ) ωk = ω0 = 2π k t (1.5) Nếu tập hợp sóng mang trực giao mối quan hệ trực giao biểu thức (1.1): b b ∫ Ψ (t )Ψ (t )dt = ∫ e p a q j [ 2π ( p −q ) t / τ ] dt = (b − a ) a e j [ 2π ( p − q )b / τ ] dt = =0 j 2π ( p − q) / τ p = q p =q )b-a( = τ (1.6) ( p,q hai số nguyên) Các sóng mang thường tách riêng tần số 1/τ, đạt đến u cầu tính trực giao chúng tương quan thời đoạn τ Nếu tín hiệu gọi trực giao chúng độc lập với Sự trực giao cho phép truyền tín hiệu hồn hảo kênh chung phát chúng mà khơng có can nhiễu Những tải phụ OFDM đặt gần nhau, gần theo lý thuyết trì tính trực giao chúng OFDM đạt trực giao việc xếp tín hiệu thông tin riêng biệt cho tải phụ khác Các tín hiệu OFDM tạo thành từ tổng hiệu hình sin, hình sin tương ứng với dải phụ Dải tần số tải phụ chọn số nguyên lần thời gian symbol Kết tải phụ có số nguyên chu kỳ symbol chúng trực giao với 11 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Dải bảo vệ (CP ) Phần hữu ích tín hiệu T g= N/W Tcp T Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM Vì dạng sóng tuần hoàn mở rộng Tcp Lúc tín hiệu biểu diễn khoảng mở rộng [0,T) là: N −1 s (t ) = ∑ xk Φ k (t ) (1.7) k =0 Ở Фk)t( tạo thành tập hợp hàm sở trực giao kf φ (t ) =Ak e j 2π t k Lúc này, f1 = w = N T − TCP Một lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha: Ak = T −TCP e −j 2πkf1TCP Do đó,  e j 2πkf1 (t −TCP ) t ∈[0, T )  φk (t ) =  T −TCP  t ∉[0, T ) 0 (1.8) ∞ N− Và tín hiệu cuối cùng: S (t ) = ∑ x k ,l φ (t −lT ) ∑ k (1.9) l= ∞ = − k Như vậy, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách sóng mang tương đương với tốc độ bit tin 12 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Việc xử lý (điều chế giải điều chế) tín hiệu OFDM thực miền tần số, cách sử dụng thuật tốn xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc tính trực giao thường sử dụng phạm vi DSP Trong tốn học, số hạng trực giao có từ việc nghiên cứu vector Theo định nghĩa, hai vector gọi trực giao với chúng vng góc với (tạo thành góc 90o) tích hai vector Điểm nhân hai tần số với nhau, tổng hợp tích cho kết Hình 1.11: T ích hai vector trực giao Hàm số thơng thường có giá trị Ví dụ: Giá trị trung bình hàm sin sau: πk ∫ sin(ωt )dt = 0 Q trình tích phân xem xét tìm diện tích dạng đường cong Do đó, diện tích sóng sin viết sau: Hình 1.12: Giá trị sóng sine Nếu cộng nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau, kết 13 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Hình 1.13: Tích phân hai sóng sine có tần số khác Điều gọi tính trực giao sóng sine Nó cho thấy miễn hai dạng sóng sin khơng tần số, tích phân chúng Đây sở để hiểu trình điều chế OFDM Hình 1.14: Tích hai sóng sine tần số 14 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Nếu hai sóng sin có tần số dạng sóng hợp thành ln dương, giá trị trung bình khác không Đây vấn đề quan trọng trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi biến đổi nhanh Fourier (FFT) Nhiều lý thuyết chuyển đổi thực chuỗi trực giao Từ phân tích trên, ta rút kết luận: • Để khắc phục tượng không phẳng đáp tuyến kênh cần dùng nhiều sóng mang, sóng mang chiếm phần nhỏ băng thông, ảnh hưởng không lớn đáp tuyến kênh đến liệu nói chung • Số sóng mang nhiều tốt phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt dùng sóng mang trực giao, sóng mang trùng lắp khơng gây can nhiễu 1.6 Các kỹ thuật điều chế OFDM Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào dạng bit nhi phân Do đó, điều chế OFDM q trình điều chế số lựa chọn yêu cầu hiệu suất sử dụng băng thơng kênh Dạng điều chế qui định số bit ngõ vào M số phức dn = an + bn ngõ Các kí tự an, bn chọn {± 1,±3} cho 16 QAM {±1} cho QPSK M 16 64 Dạng điều chế BPSK QPSK 16-QAM QAM-64 an, bn ±1 ±1 ±3 , ±1 ±7 , ±5 , ±3 , ±1 Mơ hình điều chế sử dụng tùy vào việc dụng hòa yêu cầu tốc độ truyền dẫn chất lượng truyền dẫn 1.6.1 Điều chế BPSK 15 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM 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:[7] Si (t ) = Eb cos[2πf ct + θ (t ) + θ ] Tb θ(t ) = (i −1)π;0 ≤ t ≤Tb ; i =1,2 S1 (t ) = Hay: S (t ) = Trong đó, (1.10) Eb cos[2πf c t + θ ] Tb Eb Eb cos[2πf c t + π + θ ] = −S1 (t ) = − cos[2πf c t + θ ] (1.11) Tb Tb Tb : Độ rộng 1bit Eb : Năng lượng bit θ )t( : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế θ : góc pha ban đầu có giá trị khơng đổi từ đến 2π khơng ảnh hưởng đến q trình phân tích nên đặt i = : tương ứng với symbol i = : tương ứng với symbol Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 gọi tín hiệu đối cực Nếu chọn hàm lượng sở là: cos(2πf c t );0 ≤ t ≤ Tb Tb Φ(t ) = Khi đó, S1 (t ) = Eb Φ t ) ( S (t ) = − Eb Φ t ) ( (1.12) Ta biểu diễn BPSK khơng gian tín hiệu chiều (N=1) với hai điểm tin (M=2) : S1 = Eb , S2 = - Eb hình sau: 16 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Hình 1.15 : Biểu đồ khơng 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  N      (1.13) Trong đó, Eb : Năng lượng bit N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng 1.6.2 Điều chế QPSK Đây phương pháp thơng dụng truyền dẫn Cơng thức cho sóng mang điều chế PSK mức sau:[7]  2E  S i (t ) =  T cos(2πt + θ (t ) + θ )   ≤t ≤T t 〈0; t 〉T (1.14) Với θ pha ban đầu ta cho θ (t ) = (2i − 1) π (1.15) 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 Khai triển s)t( ta được: 17 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM  2E π  Si (t ) =  T cos[(2.i − 1) ] cos(2πf ct ) −   2E π sin[(2i − 1)] sin(2πf ct ) (0 ≤ t ≤ T ) T T < t; t < (1.16) Chọn hàm lượng trực chuẩn sau: Φ1 (t ) = − Φ2 (t ) = sin( 2πf c t ) T sin( 2πf c t ) T ≤t ≤T (1.17a) ≤ t ≤T (1.17b) Khi đó, si (t ) = φ (t ) E sin[( 2i −1) π ] +φ (t ) E cos[(2i −1) π (1.18) ] Vậy, bốn tin ứng với vector xác định sau: π    E sin[( 2i −1) ]  s i1  si =  = π  si   E cos[(2i −1)    4  (i = 1,2,3,4) (1.19) Quan hệ cặp bit điều chế tọa độ điểm tín hiệu điều chế QPSK tín hiệu khơng 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 18 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Ta thấy tín hiệu PSK mức đặc trưng vector tín hiệu hai chiều bốn tin hình vẽ Hình 16 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào − E , cịn 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.[7] 1.6.3 Điều chế QAM Trong hệ thống PSK, thành phần đồng pha vuông pha kết hợp với tạo thành tín hiệu đường bao khơng đổi Tuy nhiên, loại bỏ loại thành phần đồng pha vng 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.[7] 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 (1.20) Trong đó, E0 : lượng tín hiệu có biên độ thấp 19 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM , bi : cặp số nguyên độc lập chọn tùy theo vị trí tin Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vng góc điều chế tập hợp tin tín hiệu rời rạc Vì có tên " điều chế tín hiệu vng góc" Có thể phân tích Si)t( thành cặp hàm sở:[7] Φ1 (t ) = − Φ2 (t ) = bi sin( 2πf c.t ) T sin( 2πf c.t ) T ≤t ≤T ≤t ≤T (1.21) Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-QAM 1.6.4 Mã Gray Giản đồ IQ(Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế vector truyền cho tất liên hợp từ liệu Mỗi liên hợp từ liệu phải phân phối vector IQ Mã Gray phương pháp cho phân phối này, cho điểm canh vòm khác bit đơn Mã giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn giảm hội nhiều lỗi bit xảy từ lỗi symbol đơn Mã Gray sử dụng cho tất sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8PSK, 16-PSK) QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM ) 20 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Bảng Mã Gray Hình 1.18: Giản đồ IQ 16-PSK dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp thay đổi bit đơn 21 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Hình 1.19: Giản đồ IQ cho dạng điều chế sử dụng OFDM 22 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM 1.7 Các đặc tính OFDM Qua chất OFDM, ta tóm tắt ưu điểm nhược điểm OFDM sau: 1.7.1 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 với nhiễu xuyên kênh kết hợp Ngồi ưu điểm OFDM có hạn chế 1.7.2 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 cơng suất hoạt động miền bão hịa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn 23 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ 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 1.8 Kết luận Nội dung chương đưa khái niệm số vấn đề liên quan OFDM Trong thực tế phải xét ảnh hưởng kênh truyền vơ tuyến lên tín hiệu q trình truyền Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu bị suy giảm biên độ, bị thông tin số chỗ, mát công suất…Chương sau đề cập đến đặc tính kênh truyền số vấn đề kỹ thuật OFDM 24 ... at f1 Demodulation at fN -1 S0 Parallel to serial convertor SN -1 Output Receiver Hình 1. 3: Hệ thống OFDM f0 =1/ T ∆f f1=2/T f2=3/T fN -1= N/T ∆f Nf=W Hình 1. 4: Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1. 5:... hiệu Tọa độ điểm tin 1? ? 2Ф vào QPSK Si 00 π S1 E 01 3π S2 E 11 5π S3 − E 10 7π S4 − E E − E − E E 18 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Ta thấy tín hiệu PSK mức đặc trưng vector tín hiệu hai... 8PSK, 16 -PSK) QAM (16 -QAM,64-QAM,256-QAM ) 20 Chương 1: Giới thiệu tổng quan OFDM Bảng Mã Gray Hình 1. 18: Giản đồ IQ 16 -PSK dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp thay đổi bit đơn 21 Chương 1: Giới