Tiểu luận OFDM & nhiễu ISI, ICI

Mục lục 1. Đặt vấn đề .7 Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Trong thực tế việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn so với một hệ thống đơn sóng mang. OFDM chính là bước đột phá để phát triển thị trường truy cập vô tuyến băng rộng .7 Cùng với sự ra đời và phát triển của các chíp FFT (Fast Fourier Transformer) với dung lượng lớn cho phép triển khai rộng rãi công nghệ OFDM trong các hệ thống thông tin thế hệ mới như hệ thống DVL-T (1995), chuẩn Wireless 802.11a, 802.11g … và trong tương lai có thể là hệ thống thông tin 4G 7 Trong bài tiểu luận này sẽ phân tích những ý nghĩa chung nhất của OFDM và làm rõ những ưu điểm của OFDM trong việc khắc phục nhiễu ISI và ICI trên hệ truyền tin 7 2. Cơ sở lý thuyết về OFDM và nhiễu ISI và ICI .7 2.1. Cơ sở lý thuyết về OFDM .7 OFDM về cơ bản là sự kết hợp giữa kỹ thuật điều chế và kỹ thuật hợp kênh. Kỹ thuật hợp kênh thường dựa trên những tín hiệu riêng rẽ, độc lập từ nhiều nguồn phát khác nhau. Nhưng như vậy sẽ xuất hiện vấn đề: làm thế nào để chia sẻ phổ với những tín hiệu này? Trong OFDM kỹ thuật hợp kênh có thể phân chia thành những tín hiệu riêng rẽ, nhưng liệu chúng có phải là thành phần của tín hiệu gốc ban đầu. Tín hiệu OFDM đầu tiên sẽ được chia nhỏ thành các kênh truyền độc lập, được điều chế dữ liệu sau đấy được hợp kênh để tạo thành sóng mang OFDM .7 Nguyên tắc cơ bản của hệ thống OFDM là sự phân chia dòng dữ liệu tốc độ cao ( độ rộng băng thông W ) thành N dòng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền đi đồng thời trên nhiều sóng mang. Như vậy N dòng dữ liệu thấp sẽ có băng thông W/N hẹp hơn băng thông kết hợp (BC) của kênh truyền. Những sóng mang độc lập sẽ được bù trừ khi sử dụng sự cân bằng trong miền tần số đơn nhất. Việc lựa chọn những sóng mang độc lập vì chúng trực giao với nhau, cho phép khả năng xếp chồng các sóng mang, thuận lợi cho việc phân tách các sóng mang tại nơi nhận. Tính chất này giúp cho hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống OFDM tốt hơn hệ thống FDMA không thể có việc xếp chồng các sóng mang .7 Hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống OFDM so với hệ thống FDMA được thể hiện rõ trong hình minh họa sau: 7 8 1 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Chỉ riêng chữ “trực giao” đã nói lên mối quan hệ toán học giữa tần số sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống phân kênh theo tần số chia thông thường, nhiều sóng mang được sắp xếp theo những tín hiệu và được thu thông qua bộ lọc và giải điều chế. Trong nhiều đầu thu, một dải bảo vệ sẽ được chèn vào giữa sóng mang trong miền tần số, làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. Đối với hệ thống OFDM để sắp xếp các sóng mang chỉ cần xếp chồng các dải biên của các sóng mang mà vẫn được nhận đầy đủ tín hiệu tại đầu thu, và không có sự giao thoa, nhiễu từ các sóng mang. Các đầu thu của hệ thống OFDM có thể tái tạo lại tín hiệu từ các bộ giải điều chế, biểu diễn thông qua dòng điện một chiều và sau đấy lấy tích phân trên một khoảng ký hiệu để phục hồi lại dữ liệu truyền. Nếu toàn bộ sóng mang chuyển sang miền tần số thì trong miền thời gian, toàn bộ các quá trình lặp lại trong ký hiệu theo chu kỳ T, nên quá trình lấy tích phân phải có giá trị 0 với nhiễu ICI 8 9 2.2. Nhiễu ISI .9 Nhiễu ISI xuất hiện do hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến . Các tiếng vọng từ một ký hiệu nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến ký hiệu kế tiếp (gọi là symbol N+1). Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (Guard Interval – GI Period) tại đoạn bắt đầu của ký hiệu. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần ký hiệu bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin .9 10 2.3. Nhiễu ICI .10 Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả phổ. Điều này đạt được do sự truyền song song của nhiều sóng mang (sub-carrier) qua không trung, mỗi sóng mang lại mang dữ liệu điều chế. Các sóng mang được đặt vào các tần số trực giao .10 Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang nhất định sẽ rơi vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang khác. Sử dụng tần số trực giao sẽ tránh được ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang khác nhau khi sắp xếp các vị trí các sóng mang với mật độ lớn trong miền tần số, do đó sẽ đạt được hiệu quả phổ cao .10 10 3. Hệ thống truyền tin OFDM 10 3.1. Mô hình OFDM .10 Hệ truyền thông tin OFDM hỗ trợ truyền nhiều ký hiệu dữ liệu đồng thời sử dụng các sóng mang trực giao. Một khoảng bảo vệ sẽ được được đưa thêm vào để giảm thiểu nhiễu ISI. Dãy 2 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI dữ liệu ký hiệu ( dn,k) được đưa vào thành một nhóm của khối N và được điều chế với hàm sóng mũ { ϕk(t)}. Sau khi điều chế chúng sẽ được truyền đồng thời và việc thực hiện điều chế nhờ sử dụng phép biến đổi IFFT ( Inverse Fast Fourier Tranform) 10 11 Ta có : .11 11 Với 11 11 11 12 dn,k: ký hiệu phát trong khoảng thời gian n sử dụng k sóng mang .12 Td: khoảng ký hiệu 12 N: Số sóng mang OFDM .12 fk: k sóng mang tần số với f0 là tần số thấp nhất .12 Dựa vào điều kiện trực giao của các sóng mang .12 12 Khi qua bộ giải điều chế 12 12 13 Bộ giải điều chế .13 3.2. Các vấn đề nhiễu ISI: .13 Đầu ra của bộ điều chế sẽ có dạng: .13 13 Với n ký hiệu symbol OFDM ta có thể viết lại như sau: 13 13 Trong đó 13 3 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI 13 Tại khối thứ n của kênh ký hiệu (symbol) với tín hiệu sóng mang thứ I có thể biểu diễn như sau: 13 13 Trong đó P là số sóng mang, li chỉ số của thời gian theo luật số mũ về chiều dài N; 13 Ta suy ra dạng của ký hiệu (symbol) thứ n của OFDM là .13 13 Tín hiệu truyền đi khi đi qua bộ chuyển đổi số sang tương tự có dạng như sau: 13 13 Với L là chiều dài ký hiệu dữ liệu, L lớn hơn N (số lượng các kênh truyền) 14 3.2.1. Giảm hiệu suất khi xảy ra nhiễu ISI .14 Nhiễu ISI xuất hiện khi phân bố thời gian của các xung mang thông tin gây ra các ký hiệu (symbol), thực hiện trải phổ để phân bố năng lượng vào trong các khe ký hiệu. Theo tiêu chuẩn Nyquist để tránh nhiễu ISI khi truyền, trong một môi trường giới hạn dải tần. Tuy nhiên để đạt được điều đó thì các kênh truyền phải được cân bằng. Điều kiện cân bằng phụ thuộc nghiêm ngặt vào độ méo kênh truyền. Sự giảm xuất hiện do khả năng đầu thu không thể cân bằng các kênh truyền và sự gia tăng nhiễu từ quá trình truyền ở đầu thu. Ảnh hưởng của năng lượng lên trên các khe ký hiệu kế cận. 14 14 Sự trễ phổ (rms) trong miền thời gian .14 14 Sự trễ phổ trong miền tần số .14 3.2.2. Giảm ISI 14 Việc giảm ISI là nhờ sử dụng một khoảng ký hiệu dài , nhờ vậy sẽ giảm ISI đến mức tối thiểu. Tính hiệu quả của việc chống lại trễ phổ đa đường được tăng lên rất nhiều nhờ việc chèn thêm một khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu (symbol). Khoảng bảo vệ đảm bảo đủ thời gian cho những tín hiệu đa đường của ký hiệu trước sẽ bị triệt tiêu trước khi xử lý thông tin trên các ký hiệu đồng thời. Hiệu quả của khoảng bảo vệ chính là sử dụng lặp kéo dài từ ký hiệu. Khi trễ phổ lớn hơn khoảng bảo vệ sẽ gây ra nhiễu ISI. Tuy nhiêu nếu trễ năng lượng thấp sẽ không gây ra nhiễu ISI .14 15 15 3.3. Nhiễu ICI .15 4 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Nhiễu ICI trong hệ thống OFDM là do sự giảm tính trực giao của các sóng mang. Sự giảm tính trực giao là do sự bù tần số, do các pha không phù hợp hoặc sự phân tán đa đường là quá nhiều. .15 16 Ảnh hưởng đa đường lên nhiễu ICI 16 Nhiễu ISI được giải quyết nhờ đưa vào khoảng bảo vệ đối với mỗi ký hiệu symbol OFDM. Khoảng bảo vệ phải được chọn rộng hơn khoảng trễ trên những thành phần đa đường cho một ký hiệu không gây nhiễu với ký hiệu kế tiếp. Khoảng bảo vệ này không gây tín hiệu toàn bộ, nhưng gây ra nhiễu ICI. Để giảm nhiễu ICI, ký hiệu OFDM là khoảng lặp mở rộng trong khoảng bảo vê .16 16 Ký hiệu OFDM với khoảng lặp mở rộng 16 Nhờ vậy có thể sao lưu khoảng trễ của ký hiệu OFDM liên quan đến đa đường luôn có nhưng khoảng lặp trong khoảng biến đổi FFT, miễn là trễ sẽ nhỏ hơn khoảng bảo vệ. Như thế tín hiệu đa đường sẽ không gây nhiễu ICI 16 Về mặt toán học, có thể chỉ ra lặp mở rộng của hệ OFDM trong khoảng bảo vê giúp cho đầu thu có thể nhận được những ký hiệu OFDM chu kỳ mặc dù vẫn có trễ do môi trường đa đường .16 3.4. Khoảng bảo vệ và khoảng lặp mở rộng 16 Để giảm nhiễu liên ký hiệu, thì một khoảng thời gian bảo vệ sẽ được đưa vào mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng thời gian bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn trễ phổ, như vậy những thành phần đa đường của ký hiệu không thể giao thoa với ký hiệu kế tiếp. Khoảng bảo vệ vẫn xuất hiện khi không có tín hiệu. Vì vậy, trong trường hợp này sẽ xuất hiện nhiễu liên sóng mang ICI. Nhiễu ICI chính là sự xuyên âm giữa các sóng mang 16 17 Ảnh hưởng đa đường với tín hiệu zero trong khoảng bảo vệ, sự trễ của sóng mang 2 gây ra nhiễu ICI trên sóng mang 1 17 17 Tín hiệu OFDM với khoảng lặp mở rộng .17 Để giải quyết nhiễu ICI, các ký hiệu OFDM là một khoảng lặp mở rộng ở trong khoảng bảo vệ. Khi có sự trễ sẽ tạo ra bản sao của ký hiệu OFDM luôn luôn có một số nguyên lần các 5 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI khoảng lặp bên trong khoảng tích phân FFT, sao cho việc trễ phải nhỏ hơn khoảng bảo vệ. Với kết quả trên, một tín hiệu đa đường có khoảng trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra nhiễu ICI .17 6 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Trong thực tế việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn so với một hệ thống đơn sóng mang. OFDM chính là bước đột phá để phát triển thị trường truy cập vô tuyến băng rộng. Cùng với sự ra đời và phát triển của các chíp FFT (Fast Fourier Transformer) với dung lượng lớn cho phép triển khai rộng rãi công nghệ OFDM trong các hệ thống thông tin thế hệ mới như hệ thống DVL-T (1995), chuẩn Wireless 802.11a, 802.11g … và trong tương lai có thể là hệ thống thông tin 4G. Trong bài tiểu luận này sẽ phân tích những ý nghĩa chung nhất của OFDM và làm rõ những ưu điểm của OFDM trong việc khắc phục nhiễu ISI và ICI trên hệ truyền tin. 2. Cơ sở lý thuyết về OFDM và nhiễu ISI và ICI 2.1. Cơ sở lý thuyết về OFDM OFDM về cơ bản là sự kết hợp giữa kỹ thuật điều chế và kỹ thuật hợp kênh. Kỹ thuật hợp kênh thường dựa trên những tín hiệu riêng rẽ, độc lập từ nhiều nguồn phát khác nhau. Nhưng như vậy sẽ xuất hiện vấn đề: làm thế nào để chia sẻ phổ với những tín hiệu này? Trong OFDM kỹ thuật hợp kênh có thể phân chia thành những tín hiệu riêng rẽ, nhưng liệu chúng có phải là thành phần của tín hiệu gốc ban đầu. Tín hiệu OFDM đầu tiên sẽ được chia nhỏ thành các kênh truyền độc lập, được điều chế dữ liệu sau đấy được hợp kênh để tạo thành sóng mang OFDM. Nguyên tắc cơ bản của hệ thống OFDM là sự phân chia dòng dữ liệu tốc độ cao ( độ rộng băng thông W ) thành N dòng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền đi đồng thời trên nhiều sóng mang. Như vậy N dòng dữ liệu thấp sẽ có băng thông W/N hẹp hơn băng thông kết hợp (B C ) của kênh truyền. Những sóng mang độc lập sẽ được bù trừ khi sử dụng sự cân bằng trong miền tần số đơn nhất. Việc lựa chọn những sóng mang độc lập vì chúng trực giao với nhau, cho phép khả năng xếp chồng các sóng mang, thuận lợi cho việc phân tách các sóng mang tại nơi nhận. Tính chất này giúp cho hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống OFDM tốt hơn hệ thống FDMA không thể có việc xếp chồng các sóng mang. Hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống OFDM so với hệ thống FDMA được thể hiện rõ trong hình minh họa sau: 7 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Chỉ riêng chữ “trực giao” đã nói lên mối quan hệ toán học giữa tần số sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống phân kênh theo tần số chia thông thường, nhiều sóng mang được sắp xếp theo những tín hiệu và được thu thông qua bộ lọc và giải điều chế. Trong nhiều đầu thu, một dải bảo vệ sẽ được chèn vào giữa sóng mang trong miền tần số, làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. Đối với hệ thống OFDM để sắp xếp các sóng mang chỉ cần xếp chồng các dải biên của các sóng mang mà vẫn được nhận đầy đủ tín hiệu tại đầu thu, và không có sự giao thoa, nhiễu từ các sóng mang. Các đầu thu của hệ thống OFDM có thể tái tạo lại tín hiệu từ các bộ giải điều chế, biểu diễn thông qua dòng điện một chiều và sau đấy lấy tích phân trên một khoảng ký hiệu để phục hồi lại dữ liệu truyền. Nếu toàn bộ sóng mang chuyển sang miền tần số thì trong miền thời gian, toàn bộ các quá trình lặp lại trong ký hiệu theo chu kỳ T, nên quá trình lấy tích phân phải có giá trị 0 với nhiễu ICI. 8 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Phổ của từng sóng mang OFDM riêng biệt Phổ của ký hiệu symbol OFDM 2.2. Nhiễu ISI Nhiễu ISI xuất hiện do hiện tượng đa đường trên hệ thống kết nối vô tuyến . Các tiếng vọng từ một ký hiệu nhất định (gọi là vọng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến ký hiệu kế tiếp (gọi là symbol N+1). Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 9 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI (Guard Interval – GI Period) tại đoạn bắt đầu của ký hiệu. Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần ký hiệu bị ảnh hưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin. 2.3. Nhiễu ICI Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả phổ. Điều này đạt được do sự truyền song song của nhiều sóng mang (sub-carrier) qua không trung, mỗi sóng mang lại mang dữ liệu điều chế. Các sóng mang được đặt vào các tần số trực giao. Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang nhất định sẽ rơi vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang khác. Sử dụng tần số trực giao sẽ tránh được ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang khác nhau khi sắp xếp các vị trí các sóng mang với mật độ lớn trong miền tần số, do đó sẽ đạt được hiệu quả phổ cao 3. Hệ thống truyền tin OFDM 3.1. Mô hình OFDM Hệ truyền thông tin OFDM hỗ trợ truyền nhiều ký hiệu dữ liệu đồng thời sử dụng các sóng mang trực giao. Một khoảng bảo vệ sẽ được được đưa thêm vào để giảm thiểu nhiễu ISI. Dãy dữ liệu ký hiệu ( d n,k ) được đưa vào thành một nhóm của khối N và được điều chế với hàm sóng mũ { ϕ k (t)}. Sau khi điều chế chúng sẽ được truyền đồng thời và việc thực hiện điều chế nhờ sử dụng phép biến đổi IFFT ( Inverse Fast Fourier Tranform) 10 . trị 0 với nhiễu ICI. 8 Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Phổ của từng sóng mang OFDM riêng biệt Phổ của ký hiệu symbol OFDM 2.2. Nhiễu ISI Nhiễu ISI. Tiểu luận: OFDM & Nhiễu ISI, ICI Ảnh hưởng đa đường lên nhiễu ICI Nhiễu ISI được giải quyết nhờ đưa vào khoảng bảo vệ đối với mỗi ký hiệu symbol OFDM.