MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH 3 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ OFDM 6 1.1. Nguyên lý kỹ thuật OFDM 6 1.1.1. Nguyên lý OFDM 6 1.1.2. Sơ đồ OFDM 9 1.1.3. Hệ thống OFDM cơ bản 10 1.2. Đơn sóng mang (Single Carrier) 12 1.3. Đa sóng mang (Multi – Carrier) 13 1.4. Tính trực giao (Orthogonal) của tín hiệu OFDM 14 1.4.1. Tính trực giao 14 1.4.2. Trực giao miền tần số 15 1.5 Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang 16 1.5.1 Khái niệm 16 1.5.2. Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu 18 CHƯƠNG II: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRONG OFDM 20 2.1. Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 20 2.1.1. Sơ đồ điều chế OFDM dùng thuật toán IFFT 20 2.1.2. Hoạt động của bên phát khi điều chế OFDM dùng IFFT 20 2.2. Thực hiện bộ giải điều chế OFDM bằng thuật toán FFT 25 2.2.1. Sơ đồ điều chế OFDM dùng thuật toán FFT 25 2.2.2. Hoạt động của bên thu khi điều chế OFDM dùng FFT 25 CHƯƠNG III: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ CÁC VẤN ĐỀ KÝ THUẬT TRONG OFDM 27 3.1. Ưu điểm của kỹ thuật OFDM 27 3.2. Nhược điểm của kỹ thuật OFDM 27 3.3. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM 28 3.3.1. Ước lượng tham số kênh 28 3.3.2. Đồng bộ trong OFDM 29 3.3.2.1. Đồng bộ ký tự 29 3.3.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang 30 3.3.2.3. Đồng bộ tần số lấy mẫu 31 3.3.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) 32 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 33 4.1 Giới thiệu chương 33 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink 33 4.3 Khảo sát, đánh giá chất lượng lỗi bit 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sóng mang OFDM (N=8).................................................................4 Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng phổ (a) và kỹ thuật sóng mang chồng phổ (b)...........................................................................................5 Hình 1. 3: Sơ đồ hệ thống OFDM.....................................................................6 Hình 1. 4: Hệ thống OFDM cơ bản...................................................................7 Hình 1. 5: Sắp xếp tần số hệ thống OFDM.......................................................7 Hình 1.6: Symbol OFDM với 4 sóng mang con...............................................8 Hình 1. 7: Phổ của sóng mang con OFDM.......................................................8 Hình 1. 8: Truyền dẫn sóng mang đơn..............................................................8 Hình 1. 9: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang....................................9 Hình 1. 10: Các sóng mang trực giao..............................................................11 Hình 1. 11: Phổ của bốn sóng mang trực giao................................................12 Hình 1. 12: Phổ của bốn sóng mang không trực giao.....................................13 Hình 1. 13: Ảnh hưởng của ISI.......................................................................14 Hình 1. 14: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống...........................................14 Hình 2. 1: Sơ đồ bên phát khi điều chế OFDM dùng IFFT.............................15 Hình 2. 2: Nguyên lý của tầng IFFT...............................................................17 Hình 2.3: Dạng ký hiệu sau khi chèn và lập cửa sổ phía phát đáp ứng xung kim của kênh và ký hiệu OFDM hiệu dụng được lấy ra ở phía thu.......................18 Hình 2.4: Chèn khoảng bảo vệ........................................................................18 Hình 2.5: Sơ đồ bên thu khi điều chế FFT......................................................19 Hình 4. 1: Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM.....................................26 Hình 4. 2: Phổ tín hiệu OFDM truyền.............................................................27 Hình 4. 3: Phổ tín hiệu OFDM nhận...............................................................27 Hình 4. 4: Kết quả đặc tính lỗi bít của HT điều chế đa mức trên kênh Gauss...............................................................................................................28 Hình 4. 5: Kết quả đặc tính lỗi bít của HT điều chế 16 QAM với hệ số k thay đổi....................................................................................................................28 Hình 4. 6: Kết quả đặc tính lỗi bít của HT điều chế 16QAM với độ dịch tần thay đổi............................................................................................................29 Hình 4. 7: Kết quả đặc tính lỗi bít của HT điều chế 8PSK với hệ số k thay đổi.......... .........................................................................................................29 Hình 4. 8: Kết quả đặc tính lỗi bít của HT điều chế QPSK với hệ số k thay đổi........... ........................................................................................................30 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM … OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa song mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1. Nguyên lý kỹ thuật OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang riêng biệt. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ ký tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. Sóng mang của OFDM được biểu diễn như hình dưới. Hình 1.1: Sóng mang OFDM (N=8) 1.1.1. Nguyên lý OFDM
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, dịch vụ viễn thông phát triển nhanh chóng tạo nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù yêu cầu kỹ thuật cho dịch vụ cao song cần có giải pháp thích hợp để thực Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) phương pháp điều chế cho phép truyền liệu tốc độ cao kênh truyền chất lượng thấp OFDM sử dụng phát truyền hình số, đường dây th bao số khơng đối xứng, mạng cục không dây Với ưu điểm mình, OFDM tiếp tục nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khác truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM … OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa song mang Kỹ thuật phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, sóng mang điều chế để truyền dòng liệu tốc độ thấp Tập hợp dòng liệu tốc độ thấp dịng liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang kỹ thuật điều chế đa sóng mang họ sóng mang trực giao Điều cho phép ghép chồng phổ sóng mang sử dụng giải thơng cách có hiệu Ngồi sử dụng họ sóng mang trực giao mang lại nhiều lợi kỹ thuật khác, hệ thống điều chế đa sóng mang sử dụng họ sóng mang đa trực giao gọi chung ghép kênh theo tần số trực giao OFDM CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Nguyên lý kỹ thuật OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, kênh có sóng mang riêng biệt Các sóng mang trực giao với sóng mang khác có nghĩa có số nguyên lần lặp chu kỳ ký tự Vì vậy, phổ sóng mang “khơng” tần số trung tâm tần số sóng mang khác hệ thống Kết khơng có nhiễu sóng mang phụ Sóng mang OFDM biểu diễn hình Hình 1.1: Sóng mang OFDM (N=8) 1.1.1 Ngun lý OFDM Nguyên lý OFDM chia nhỏ luồng liệu tốc độ cao trước phát thành nhiều luồng liệu tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với nhau, điều thực cách chọn độ giãn tần số cách hợp lý Vì khoảng thời gian symbol tăng lên làm 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 mở rộng theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI 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 bố 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 Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Trong 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 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 Để đạt hiệu đó, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ cần triệt để giảm xuyên nhiễu sóng mang Điều có nghĩa sóng cần trực giao với Sự trực giao sóng mang mối quan hệ tốn học cách xác tần số sóng mang Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng phổ (a) kỹ thuật sóng mang chồng phổ (b) 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 nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm sốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, khơng 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 nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu phổ 1.1.2 Sơ đồ OFDM Hình 3: 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 tốn sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IFFT 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 1.1.3 Hệ thống 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 Sơ đồ điều chế phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin dạng sóng analog digital 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 Sau hệ thống OFDM bản: Hình 4: Hệ thống OFDM Hình 5: Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1.6: Symbol OFDM với 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 7: Phổ sóng mang OFDM 1.2 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang hệ thống có liệu điều chế truyền sóng mang Hình 8: Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 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 ngun nhân để hệ thống đa sóng mang chiếm ưu hệ thống đơn sóng mang 1.3 Đa sóng mang (Multi – Carrier) Hình 9: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 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 mangtải khơi phục liệu có ích 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 FEC Bên 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, 10 thu (đoạn TFFT) coi tích chập tín hiệu OFDM với đáp ứng xung kim kênh Đoạn bảo vệ đưa vào để trì tính trực giao sóng mang tính độc lập tín hiệu OFDM nối tiếp tín hiệu OFDM truyền kênh vô tuyến phađinh đa đường Việc trì tính trực giao sóng mang cho phép tránh ICI (inter-carrier interference: nhiễu sóng mang) việc trì tính độc lập ký hiệu cho phép tránh ISI (inter-symbol interference: nhiễu ký hiệu) Khoảng bảo vệ tiền tố có chu trình, chép phần cuối ký hiệu OFDM truyền trước Hình 2.3: Dạng ký hiệu sau chèn lập cửa sổ phía phát đáp ứng xung kim kênh ký hiệu OFDM hiệu dụng lấy phía thu 20 Hình 2.4: Chèn khoảng bảo vệ 2.2 Thực giải điều chế OFDM thuật toán FFT 2.2.1 Sơ đồ điều chế OFDM dùng thuật tốn FFT Hình 2.5: Sơ đồ bên thu điều chế FFT 2.2.2 Hoạt động bên thu điều chế OFDM dùng FFT Tín hiệu thu: Qua nhân với tần số Qua lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần số (, qua chuyển đổi ADC ta được: 21 Đầu sau FFT ta thu Bộ thu nhận tín hiệu r(t), sau trộn vng góc xuống băng gốc cách sử dụng sóng cosin sin tần số sóng mang Điều tạo tín hiệu trung tâm có tần số 2f c, lọc thông thấp sử dụng để loại bỏ chúng Các tín hiệu băng gốc sau lấy mẫu số hóa cách sử dụng chuyển đổi tương tự số (ADCs), cho qua biế đổi FFT để chuyển ngược trở lại miền tần số Điều trả lại luồng song song N đường, đường chuyển thành luồng nhị phân cách sử dụng tách kí hiệu thích hợp Luồng sau lại kết hợp thành luồng nối tiếp, ước lượng dịng nhị phân ban đầu máy phát CHƯƠNG III: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ CÁC VẤN ĐỀ KÝ THUẬT TRONG OFDM 3.1 Ưu điểm kỹ thuật OFDM Tăng hiệu sử dụng băng thông 22 Bền vững với fading chọn lọc tần số ký hiệu có băng thơng hẹp nên sóng mang phụ chịu fading phẳng Chống nhiễu liên ký hiệu ISI chu kỳ ký hiệu dài với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT Có thể truyền liệu tốc độ cao 3.2 Nhược điểm kỹ thuật OFDM Nhạy với offset tần số Chỉ cần sai lệch nhỏ làm tính trực giao sóng mang phụ Vì OFDM nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler Các sóng mang phụ thật trực giao máy phát máy thu sử dụng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng hiệu chỉnh offset tần số sóng mang tín hiệu thu Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng ICI ISI Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn tín hiệu OFDM tổng N thành phần điều chế tần số khác Khi thành phần đồng pha, chúng tạo ngõ tín hiệu có biên độ lớn Ngược lại, chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu làm ngõ Chính vậy, PAPR hệ thống OFDM lớn 3.3 Các vấn đề kỹ thuật OFDM OFDM giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để đem áp dụng vào hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải thực hệ thống sử dụng OFDM: Ước lượng tham số kênh Đồng sóng mang 23 Giảm tỉ số cơng suất tương đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio) Vấn đề thứ liên quan trực tiếp đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM dùng phương pháp giải điều chế liên kết, hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý nhược điểm OFDM Ngoài ra, để nâng cao tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM 3.3.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) hệ thống OFDM xác định hàm truyền đạt kênh thời gian để thực giải điều chế bên thu bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation) Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng tín hiệu bên thu biết trước pha biên độ Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu với tín hiệu pilot nguyên thủy cho biết ảnh hưởng kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát Ước lượng kênh phân tích miền thời gian miền tần số Trong miền thời gian đáp ứng xung h(n) kênh ước lượng Trong miền tần số đáp ứng tần số H(k) kênh ước lượng Có hai vấn đề quan tâm sử dụng PSAM : Vấn đề thứ lựa chọn tín hiệu pilot : Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao lượng băng thơng sử dụng tín hiệu Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot thực giản đồ thời gian-tần số, kỹ thuật OFDM cho khả lựa chọn cao so với hệ thống đơn sóng mang Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng lớn đến tiêu hệ thống Vấn đề thứ hai việc thiết kế ước lượng kênh: Phải giảm độ phức tạp thiết bị đảm bảo độ xác yêu cầu Yêu cầu tốc độ thông tin cao (tức thời gian xử lý giảm) tiêu hệ 24 thống hai yêu cầu ngược Vì vậy, thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu 3.3.2 Đồng OFDM Đồng vấn đề quan tâm kỹ thuật OFDM có ý nghĩa định đến khả cải thiện nhược điểm OFDM Chẳng hạn, không đảm bảo đồng tần số sóng mang dẫn đến nguy tính trực giao sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM ưu điểm đặc trưng nhờ trực giao Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng khác : Đồng ký tự (symbol synchronization), đồng tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), đồng tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 3.3.2.1 Đồng ký tự Đồng ký tự nhằm xác định xác thời điểm bắt đầu ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) đồng ký tự thực cách dễ dàng Hai yếu tố cần ý thực đồng ký tự lỗi thời gian (timing error) nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise) a) Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây sai lệch thời điểm bắt đầu ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ cho đáp ứng xung kênh nằm chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) hệ thống đảm bảo trực giao sóng mang Trong trường hợp thời gian trễ ký tự xem độ dịch pha kênh truyền độ dịch pha xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, chiều dài CP nhỏ lỗi thời gian hệ thống xuất lỗi ISI Có hai phương pháp để thực đồng thời gian, là: Đồng thời gian dựa vào tín hiệu pilot đồng thời gian dựa vào tiền tố lặp 25 Phương pháp đồng thời gian dựa vào tín hiệu pilot áp dụng cho hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát mã hóa số tín hiệu biết trước thơng tin pha biên độ số sóng mang phụ Phương pháp sau điều chỉnh để sử dụng cho hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm bước : nhận biết công suất (power detection), đồng thô (coarse synchronization)và đồng tinh (fine synchronization) b) Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang tượng khơng ổn định pha sóng mang không ổn định tạo dao động bên phát bên thu 3.3.2.2 Đồng tần số sóng mang Trong đồng tần số sóng mang, hai vấn đề quan tâm đến lỗi tần số (frequency error) thực ước lượng tần số a) Lỗi tần số Lỗi tần số tạo khác biệt tần số hai tao dao động bên phát bên thu, độ dịch tần Doppler, nhiễu pha xuất hiên kênh truyền khơng tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây : suy giảm biên độ tín hiệu thu (vì tín hiệu khơng lấy mẫu đỉnh sóng mang hình sin) tạo nhiễu xun kênh ICI (vì sóng mang bị tính trực giao) b) Ước lượng tần số Tương tự kỹ thuật đồng ký tự, để thực đồng tần số, sử dụng tín hiệu pilot sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, số sóng mang sử dụng để truyền tín hiệu pilot (thường chuỗi giả nhiễu) Sử dụng ký tự biết trước pha biên độ giúp ta ước lượng độ quay pha lỗi tần số gây Để tăng 26 độ xác cho ước lượng, người ta sử dụng thêm vịng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL) Nhận xét : Một vấn đề cần quan tâm đến mối quan hệ đồng ký tự đồng tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng đồng tần số sóng mang giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách hai sóng mang cạnh Nhưng giảm số sóng mang phải giảm chu kỳ ký tự sóng mang, dẫn đến việc đồng ký tự khó khăn phải chặt chẽ Điều chứng tỏ hai vấn đề đồng có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có dung hòa hợp lý để hệ thống đạt tiêu kỹ thuật đề 3.3.2.3 Đồng tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, xuất bất đồng đồng hồ bên phát bên thu Người ta đưa hai phương pháp để khắc phục bất đồng Phương pháp thứ sử dụng dao động điều khiển điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai gọi : Lấy mẫu không đồng Trong phương pháp này, tần số lấy mẫu giữ nguyên tín hiệu xử lý số sau lấy mẫu để đảm bảo đồng 3.3.3 Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) Tỉ số công suất đỉnh công suất trung bình hạn chế tín hiệu OFDM Khi tỉ số cao, việc sử dụng khuyếch đại công suất không đạt hiệu suất cao phải dành dự trữ cơng suất để tránh nhiễu phi tuyến Như vậy, giảm PAPR yêu cầu quan trọng hệ thống sử dụng OFDM 27 PAPR ký tự OFDM tỉ số giá trị lớn bình phương mẫu đơn lẻ miền thời gian với giá trị trung bình bình phương mẫu này: PAPR biểu diễn dải biên độ mẫu tạo bên máy phát tín hiệu OFDM Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc ký tự khơng gian tín hiệu Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do ký tự khơng gian tín hiệu khác pha độ lớn nên PAPR=1 Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8 Có hai phương pháp giảm PAPR : Đưa thêm số thơng tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM Sử dụng xử lý khơng gian tín hiệu (QAM, DPSK) cho tín hiệu miền thời gian sau IDFT có PAPR thấp CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Giới thiệu chương Để hiểu vấn đề lý thuyết trình bày chương trước Trong chương cuối này, giới thiệu chương trình mơ hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: orthogonal frequency division multiplex) 28 Đây chương trình viết Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mơ phát thu OFDM, mơ kênh truyền, so sánh tín hiệu OFDM QAM, sơ đồ khối mô hệ thống OFDM simulink Matlab 4.2 Mô hệ thống OFDM simulink Hình 1: Sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM Tín hiệu thu sau loại bỏ CP chuỗi huấn luyện đưa vào IFFT để chuyển mẫu miền thời gian trở lại miền tần số Đưa vào ước lượng kênh bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu Cuối cùng, tín hiệu giải điều chế giải mã RS Hình 2: Phổ tín hiệu OFDM truyền 29 Hình 3: Phổ tín hiệu OFDM nhận Hình 4.2 4.3 cho thấy tác động kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM Vì kênh truyền kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận tần số khác chịu tác động khác 4.3 Khảo sát, đánh giá chất lượng lỗi bit • Các số liệu: SNR từ 2-20 dB, D=10, K=100 kênh cụ thể, với số bít khảo sát 10e4 khối tính lỗi • Xử lý hình vẽ đánh giá chất lượng hệ thống thông qua kết thu 30 Hình 4: Kết đặc tính lỗi bít HT điều chế đa mức kênh Gauss KET QUA BER HE THONG OFDM HIPERLAN II-16QAM 10 -1 10 -2 10 BER -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 k=4 k=16 k=32 k=100 k=1000 Gauss -7 10 10 15 20 25 SNR Hình 5: Kết đặc tính lỗi bít HT điều chế 16 QAM với hệ số k thay đổi 31 10 10 BER 10 10 10 10 10 KET QUA BER HE THONG OFDM-HIPERLAN II 16QAM THEO DO DICH TAN D=10 Hz D=40 D=100 D=200 K =[100] -1 -2 -3 -4 -5 -6 10 15 20 25 SNR Hình 6: Kết đặc tính lỗi bít HT điều chế 16QAM với độ dịch tần thay đổi KQBER OFDM8-PSK TREN KENH RICE VOI K KHACNHAU 10 -1 10 -2 10 BER -3 10 DL=40 -4 10 Gauss K =4 -5 10 K =16 K =32 -6 10 K =100 K =1000 -7 10 SNR 10 12 14 16 Hình 7: Kết đặc tính lỗi bít HT điều chế 8-PSK với hệ số k thay đổi 32 BER KQBERHE THONGOFDM-HIPERLAN4-PSK TRENKENHRICE 10 K=4 D=40Hz K=8 -1 10 K=16 K= 32 -2 10 K=100 Gauss -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 10 15 20 25 SNR Hình 8: Kết đặc tính lỗi bít HT điều chế QPSK với hệ số k thay đổi Nhận xét: Hệ thống TT OFDM dùng mã Convolution: • Chỉ dùng điều kiện kênh có tính chất Gauss (k>16) • Tương đối tĩnh (d