Tài liệu Nghiên cứu một số phương pháp thích nghi sử dụng trong ofdm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Đề tài “Nghiên cứu một số phương pháp thích nghi sử dụng trong OFDM” với mục đích tìm hiểu các vấn đề sau:  Tìm hiểu về kỹ thuật OFDM  Ước lượng và cân bằng kênh trong OFDM  Một số cơ chế thích nghi trong hệ thống OFDM  Mô phỏng đánh giá hiệu năng BER của của một số cơ chế điều chế thích ứng trong AOFDM Sinh viên thực hiện Lâm Trung Thành 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông nói chung và các thầy cô trong khoa Công Nghệ Điện Tử Và Truyền Thông nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho e những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến cô Trịnh Thị Diệp, cô đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả. Đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này. Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Sinh viên thực hiện Lâm Trung Thành 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hay công trình đã có từ trước. Nếu sai với những gì đã cam đoan tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016 Sinh viên thực hiện Lâm Trung Thành 3 MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii LỜI CAM ĐOAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii MỤC LỤC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix LỜI MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1. Một số đặc tính kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1. Các đặc tính chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2. Tạp âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.3. Fading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.4. Hiện tượng Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.5. Trải trễ trong hiện tượng đa đường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Lịch sử phát triển của OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3. Hệ thống OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1. Nguyên lý điều chế và giải điều chế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2. Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3. Sơ đồ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4. Tính trực giao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6. Các thông số đặc trưng trong hệ thống OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6.2. Các thông số trong miền thời gian. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6.3. Các thông số trong miền tần số. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.7. Thông lượng kênh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.9. Ứng dụng của OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.10. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 CHƯƠNG 2. ƯỚC LƯỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH TRONG OFDM . . . . . . . 21 2.1. Các khái niệm cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1. Cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2. Ước lượng kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Ước lượng kênh trong miền tần số. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 2.3. Ước lượng kênh trong miền thời gian. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4. Cân bằng kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.1. Bộ cân bằng cưỡng ép về không ZF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.2. Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE . . . . . . . . . 37 2.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 CHƯƠNG 3. MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI TRONG HỆ THỐNG OFDM 41 3.1. Cơ chế điều chế thích nghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2. Kiến trúc của các hệ thống điều chế thích nghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3. Hệ thống AOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.1. Ước lượng kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.2. Chọn các tham số cho quá trình phát kế tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.3. Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4. Một số cơ chế thích nghi trong OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.4.1. Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4.2. Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.3. Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5. Mô phỏng hiệu năng BER của một số cơ chế điều chế thích ứng trong AOFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.1. Tiến trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.2. Thông số mô phỏng và sự ảnh hưởng của các thông số mô phỏng tới hoạt động của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Hình 1.3. Điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Hình 1.4. Sử dụng thuật toán FFT trong giải điều chế OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Hình 1.5. Tính trực giao của hai vectơ vuông góc với nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.6. Tích phân của hai sóng sin khác tần số. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.7. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Hình 1.8. Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hình 1.9. Tiền tố lặp (CP) trong OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Hình 1.10. Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường . . 14 Hình 1.11. Cấu trúc tín hiệu OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Hình 1.12. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con. . . . . 16 Hình 2.1. Tổng quan một hệ thống OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Hình 2.2. Ví dụ về việc truyền pilot liên tục và phân tán ở những vị trí sóng mang biết trước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Hình 2.3. Kiểu chèn pilot dạng khối. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Hình 2.4. Kiểu chèn pilot dạng lược. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Hình 2.5. Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và miền thời gian. . . 26 Hình 2.6: Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền trong sự lựa chọn sự sắp xếp các pilot.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Hình 2.7. Nội suy SI và nội suy đa thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Hình 2.8. Sơ đồ khối của giải thuật ước lượng kênh truyền dựa trên kiểu sắp xếp pilot dạng lược dùng bộ lọc thông thấp FIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hình 2.9. Nội suy bằng bộ lọc thông thấp FIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hình 2.10. Bộ lọc Wiener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Hình 2.12. Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính. . . . . . . . . . . 37 Hình 3.1. Chu trình điều chế thích nghi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 3.2. Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 3.3. Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế mức điều chế. . . . . . . . . . . . . . . . 45 Hình 3.4. Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Hình 3.5. Tiến trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Bảng 3.2. Các thông số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích nghi AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CINR Carrier to interference plus noise ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu và giao thoa CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DS Delay Spread Trải trễ DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang 9 IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự MMSE Maximum Mean Square Error Estimation Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đại OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêu QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng LỜI MỞ ĐẦU Tăng dung lượng kênh truyền và nâng cao chất lượng truyền dẫn là những yêu cầu mà các cơ chế thích nghi hiện nay đã đáp ứng được. Mặt khác trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading 10 chọn lọc tần số, nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần bằng cách chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con. Trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng OFDM bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của từng sóng mang. Xuất phát từ những lý do đó, cùng với sự định hướng của cô giáo Trịnh Thị Diệp em đã lựa chọn đồ án “Nghiên cứu một số cơ chế điều chế thích nghi trong OFDM” với mục đích đưa ra một số giải pháp cụ thể để nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là: thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang. Nội dung đồ án được chia thành ba chương như sau: Chương 1: Tìm hiểu về kĩ thuật OFDM Chương 2: Ước lượng kênh và cân bằng kênh Chương 3: Một số cơ chế thích nghi trong OFDM Trong quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế, nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài đồ án em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016 Sinh viên thực hiện Lâm Trung Thành 11 CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1. Một số đặc tính kênh truyền 1.1.1. Các đặc tính chung Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia… Với kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa là rất lớn, với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang. 1.1.2. Tạp âm Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. 1.1.3. Fading Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua. Một số loại Fading như sau: 12  Fading Rayleigh Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh.  Fading chọn lọc tần số và fading phẳng Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp Wc (Hz) xấp xỉ bằng: (1.1)  Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu, do đó sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.  Trong khi đó với fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu, làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số. 1.1.4. Hiện tượng Doppler Doppler được hiểu là sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau : (1.2) Trong đó là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng. 1.1.5. Trải trễ trong hiện tượng đa đường Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một 13 khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục. 1.2. Lịch sử phát triển của OFDM Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỷ vừa qua nhiều công trình về khoa học kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư của phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông 14 tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a. 1.3. Hệ thống OFDM 1.3.1. Nguyên lý điều chế và giải điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một công nghệ điều chế không dây được sử dụng song song với công nghệ CDMA. OFDM có một khả năng vượt trội hơn về dung lượng so với các hệ thống CDMA và cung cấp các phương thức truy nhập không dây cho các hệ thống 4G. OFDM là cách điều chế mà cho phép dữ liệu số được truyền qua một kênh radio với chất lượng và độ tin cậy cao, thậm chí khi truyền trong môi trường nhiều đường truyền. Hệ thống OFDM truyền dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng lớn các sóng mang băng hẹp. Các sóng mang này chiếm các khoảng trống thứ tự tần số và tạo thành một khối phổ. Khoảng cách tần số và thời gian đồng bộ của các sóng mang này được chọn sao cho chúng trực giao với nhau, nghĩa là các sóng mang này không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù chúng được xếp chồng nhau ở miền tần số. Trong thực tế, dữ liệu số được gửi đi bằng cách dùng rất nhiều sóng mang mà mỗi sóng mang có một tần số khác nhau (ghép kênh phân chia theo tần số) và các sóng mang này trực giao với nhau, do vậy mà còn gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). a) Nguyên lý điều chế OFDM được thể hiện qua sơ đồ dưới đây: 15 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM Toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành kênh con, với chỉ số của các kênh con là n: Do vậy: Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi dòng dữ liệu lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song hiệu phức đa mức được chia thành lại được điều chế thành mẫu tín . Trong đó: n - chỉ số của sóng mang phụ. i - chỉ số của khe thời gian tương ứng với bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song. k - chỉ số của khe thời gian tương ứng với 16 mẫu tín hiệu phức. Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, v.v.. Các mẫu tín hiệu lại được nhân với xung cơ sở g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang. Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông. Sau khi nhân với xung cơ sở, tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức . Phép phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau: (1.5) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k. Sự biểu diễn tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là: (1.6) Ở đây tín hiệu là tín hiệu với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn. b) Nguyên lý giải điều chế OFDM được thể hiện qua sơ đồ dưới đây: Sơ đồ giải điều chế OFDM được cho ở 1.2, tín hiệu đưa vào bộ giải điều chế là . Với tín hiệu phát như đã xét trong phần điều chế : 17 (1.7) được biểu diễn như sau: (1.8) Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý giải điều chế OFDM 1.3.2. Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT Trước hết ta thấy rằng mẫu tín hiệu OFDM thứ k được biểu diễn bởi phương trình toán học sau: (1.9) 18 Khi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu: Trong đó B là toàn bộ bề rộng của băng tần của hệ thống. Ở tại thời điểm lấy mẫu , do vậy: (1.10) Do , Kết quả là: . Tương tự như vậy có thể khai triển Khi đó: 19 (1.11) Bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Đặc biệt trong trường hợp là bội của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi IFFT. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT được thể hiện ở hình dưới đây: Hình 1.3. Điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT 1.3.3. Sơ đồ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT Bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân: (1.11) Ở dạng mạch số, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là 20 . Giả thiết