Tài liệu Tìm hiểu hiệu năng của các phương pháp tách sóng trong hệ MC - CDMA

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ngô Thị Thanh Hải TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG HỆ MC-CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2007 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ngô Thị Thanh Hải TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG HỆ MC-CDMA Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2007 4 Mục lục Trang Lời cam đoan ....................................................................................................... 3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................ 6 Danh mục các hình vẽ .......................................................................................... 9 MỞ ĐẦU.................................................................................................... 11 Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM ................................................................................. 13 1.1 Giới thiệu ............................................................................................ 13 1.2 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM .......................................... 14 1.3 Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi IFFT/FFT ………………………………………………………………………….16 1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM .................................................. 19 Chương 2 – CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA .......................................................................... 22 2.1 Giới thiệu ............................................................................................ 22 2.2 Phân loại hệ thống CDMA ................................................................. 25 2.2.1 Chuỗi trực tiếp – DS ...................................................................... 26 2.2.2 Hệ thống nhảy tần – FH ................................................................. 33 2.2.3 Hệ thống nhảy thời gian – TH........................................................ 40 2.2.4 Trải phổ lệch tần - Chirp SS .......................................................... 43 2.2.5 Hệ thống ghép – Hybrid................................................................. 44 2.2.5.1 Hệ thống FH/DS ......................................................................... 44 2.2.5.2 Hệ thống TH/FH ........................................................................ 47 2.2.5.3 Hệ thống TH/DS ........................................................................ 47 Chương 3 – CÁC MÔ HÌNH TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS....... 49 3.1 Giới thiệu ............................................................................................. 49 3.2 Các mô hình trải phổ đa sóng mang .................................................... 50 3.2.1 Nhóm I (Multicarrier CDMA) ....................................................... 50 3.2.2 Nhóm II (MC-DS-CDMA và MT-CDMA) ................................... 53 3.2.2.1 MC-DS-CDMA .......................................................................... 53 3.2.2.2 MT-CDMA ................................................................................ 55 3.3 Ưu điểm và hạn chế của trải phổ đa sóng mang ................................. 57 Chương 4 – BÀI TOÁN TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG MCCDMA ....................................................................................................... 60 5 4.1 Giới thiệu ............................................................................................. 60 4.2 Các kỹ thuật tách tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đường xuống ............................................................................................................. 61 4.2.1 Mô hình hệ thống MC-CDMA trong môi trường đơn tế bào .......... 63 4.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu nhờ bộ cân bằng trong hệ MC-CDMA ........ 65 4.2.2.1 Tách tín hiệu đơn người dùng SUD ............................................ 65 4.2.2.2 Tách tín hiệu đa người dùng MUD. ............................................ 69 4.3 Một số kết quả mô phỏng .................................................................... 74 4.3.1 Chuỗi trải phổ ................................................................................ 74 4.3.2 MAI - nhiễu đa truy nhập .............................................................. 74 4.3.3 So sánh giữa các hệ thống MC-CDMA, FDMA và FDMA tối ưu (Optimal FDMA) ........................................................................................ 75 4.3.4 Đánh giá hiệu năng của các giải pháp tách tín hiệu ........................ 76 4.3.5 So sánh hiệu năng của giải pháp đa người dùng và đơn người dùng các cách khác nhau...................................................................................... 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 82 PHỤ LỤC .................................................................................................. 84 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt A/D AWGN BER BS CDMA Chirp SS CP D/A DFT DS DS/FH DS/TH DS/FH/TH DS-SS DS-CDMA EGC FFT FDM FDMA FH F-FH FSK HPA Analog/Digital Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Base Station Code Division Multiple Access Chirp Spread Spectrum Cyclic Prefix Digital/Analog Discrete Fourier Transform Direct Sequence Direct Sequence/Frequency Hoping Direct Sequence/Time Hoping Direct Sequence/Frequency Hoping/Time Hoping Direct Sequence - Spread Spectrum Direct Sequence-CDMA Equal Gain Combining Fast Fourier Transform Frequency-Division Multiplex Frequency Division Multiple Access Frequency Hoping Fast- Frequency Hoping Frequency Shift Keying High Power Amplifier Bộ biến đổi tương tự sang số Nhiễu Gauss trăng cộng tính Tỉ lệ lỗi bit Trạm cơ sở Đa truy nhập phân chia theo mã Trải phổ lệch tần Tiền tố vòng Bộ biến đổi số sang tương tự Biến đổi Fourrier rời rạc Chuỗi trực tiếp Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch tần Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch thời gian Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch tần lệch thời gian Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp CDMA Tổ hợp độ lợi cân bằng Biến đổi Fourier nhanh Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số Hệ thống nhảy tần Hệ thống FH nhanh Khóa dịch tần Bộ khuếch đại công suất lớn 7 IC ICI Interferance Cancellation Inter-Carrier Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform Inter-Symbol Interference Joint Dectection Least Mean Square ISI JD LMS LPI MAI MIMO MC-SS MCM MC-DSCDMA MC-CDMA MF ML MMSE Low Prabability of Interception Multiple Access Interference Multi-In Multi-Out Multi-carrier Spread Spectrum Multi-Carrier Modulation Multi-Carrier Direct Sequence CDMA Multi-Carrier – CDMA MMSE MUD Matched Filter Maximum Likehood Minimum Mean Squared Error Minimum Mean Squared Error – MultiUser Detection MRC MS MT-CDMA Maximum Ratio Combining Mobile Station Multi-Tone CDMA MUI MUD M-QAM Multiple User Interference MultiUser Detection M-Quadrature Amplitude Triệt nhiễu Nhiễu xuyên âm giữa các sóng mang Biến đổi ngược FFT Nhiễu xuyên ký hiệu Tách tín hiệu kết hợp Bình phương trung bình tối thiểu Xác suất thu trộm thấp Nhiễu đa người dùng Đa lối vào đa lối ra Hệ thống trải phổ đa sóng mang Điều chế đa sóng mang Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp đa sóng mang Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang Bộ lọc hòa hợp Luật hợp lý cực đại Lỗi bình phương trung bình cực tiểu Tách sóng đa người dùng theo phương pháp lỗi bình phương trung bình cực tiểu Tổ hợp tỷ số cực đại Trạm di động Đa truy nhập phân chia theo mã đa âm Nhiễu đa người dùng Tách tín hiệu đa người dùng Bộ điều chế biên độ vuông 8 OFDM ORC RF PAR PG PIC PN QPSK RLS S/P SIC SISO SNR SUD TDMA TH TDM ZF Modulation góc M mức Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Restoring Combining Radio Frequency Peak to Average Ratio Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao Tổ hợp khôi phục trực giao Processing Gain Parallel Interference Cancellation Quaternary Phase-Shift Keying Recursive Least Square Serial to Parallel Successive Interference Cancellation Single Input Single Output Signal Noise Ratio SingleUser Detection Time Division Multiple Access Time Hoping Time-Division Multiplex Zeros Forcing Dao động cao tần Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình Độ lợi xử lý Triệt nhiễu song song Tín hiệu hoa tiêu Khóa dịch pha 900 Bình phương tối thiểu đệ quy Biến đổi nối tiếp sang song song Triệt nhiễu liên tiếp Hệ thống một anten phát một anten thu Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Tách đơn người dùng Đa truy nhập phân chia theo thời gian Hệ thống nhảy thời gian Ghép kênh phân chia theo thời gian Cưỡng ép không 9 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Trang Mô hình điều chế OFDM tương tự…………………………… 13 Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT…………………… 16 Kỹ thuật chèn tiền tố vòng CP……………………………….. 18 Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: So sánh sự sử dụng băng tần của hệ thống FDM và OFDM.. Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập theo trải phổ: a) Trải phổ; b) Giải trải phổ….………………………………. Loại trừ nhiễu trong hệ SSMA...……………………………… Sơ đồ khối của máy phát DS-CDMA………………………… Bộ phát tín hiệu SS dùng điều chế BPSK…………………….. Sơ đồ khối máy thu tín hiện DS-SS…………………………… Sơ đồ khối của máy phát DS-SS sử dụng bộ điều chế BPSK… Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: PSD của bản tin, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK………. 31 Sự chiếm giữ thời gian/tần số của các tín hiệu DS và FH……. 34 Sơ đồ khối máy thu, phát của hệ thống FH-SS……………….. 35 Hình 1.4: Hình 2.1: 20 24 25 27 27 28 29 Hình 2.10: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống Fast FH/SS……………….. 36 Hình 2.11: Hình 2.12: Hình 2.13: Hình 2.14: Hình 2.15: Hình 2.16: Hình 2.17: Hình 2.18: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 4.1: Hình 4.2: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống Fast FH-SS………………… Sơ đồ khối máy phát, thu của hệ thống TH-CDMA………….. Đồ thị tần số/thời gian của hệ thống TH-CDMA…………….. Điều chế trải phổ lệch tần…………………………………….. Phổ tần số của hệ thống tổ hợp FH/DS……………………….. Bộ điều chế tổ hợp FH/DS……………………………………. Bộ thu tổng hợp FH/DS………………………………………... Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS……………………………….. Mô hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS……………. Nguyên lý trải phổ theo MC-CDMA và DS-CDMA………… Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………….. Sơ đồ hệ thống MC-CDMA với N≠PG ……………………… Nguyên lý điều chế MC-SS nhóm II…………………………. Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………….. Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………….. Máy phát và máy thu MC-CDMA cho kênh đường xuống….. So sánh BER của bộ thu của hệ thống MC-CDMA dùng mã 38 40 41 44 45 45 46 48 49 50 51 52 53 55 57 63 10 Hình 4.3: Hình 4.4: Hình 4.5: Hình 4.6: Hình 4.7: Hình 4.8: Gold và Walsh, chiều dài mã Gold là 63, chiều dài mã Walsh là 64…………………………………………………………... 74 Ảnh hưởng của MAI trong hệ thống MC-CDMA……………. 75 So sánh BER của hệ thống MC-CDMA, FDMA, optimal FDMA với K=64, L=64……………………………………………….. 76 So sánh BER của hệ thống MC-CDMA theo 3 phương pháp tổ hợp khác nhau: EGC, MRC, MMSEC: K=32, N=8, L=64… 77 So sánh BER của hệ thống MC-CDMA sử dụng phương pháp tách sóng MMSEC với số kênh khác nhau……………………. 78 Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=L=NC=64… 79 Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=32,L=NC=64. 80 11 MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 được xem như kỷ nguyên của thông tin kỹ thuật số với các dòng bit dịch chuyển toàn cầu, kết nối toàn thế giới. Và con người đã phải thừa nhận sự lệ thuộc của mình vào thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ diệu này. Truyền thông di động cũng không nằm ngoài vòng kết nối đó với hàng loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con người. Hiện có hơn 50 quốc gia trên thế giới triển khai ứng dụng công nghệ CDMA với trên 100 mạng. Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM dựa trên công nghệ TDMA. Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Tuy nhiên, công nghệ CDMA có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet, ... Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn. Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới. Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí thực hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát. Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày về công nghệ OFDM, công nghệ CDMA, các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS và tìm hiểu hiệu năng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ MC-CDMA. Nội dung chính gồm 4 chương được trình bày như sau: - Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tác giả trình bày về cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM sử dụng bộ biến đổi FFT/IFFT từ đó đi sâu vào phân tích một số ưu điểm và hạn chế chính của hệ thống này. - Chương 2: Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Tác giả trình bày nguyên lý chung của hệ thống CDMA, nêu lên một số đặc trưng chính của hệ thống CDMA. Tìm hiểu về nguyên lý thu, phát; các đặc trưng, ưu nhược điểm của một số giao thức CDMA như: hệ thống DS, hệ thống FH, hệ thống TH, hệ thống lệch tần và một số hệ thống lai. 12 - Chương 3: Các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS. Tác giả trình bày tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang MC-SS (MC-CDMA, MC-DS-CDMA và MT-CDMA). Từ đó đánh giá sơ bộ ưu điểm, hạn chế của hệ thống này. - Chương 4: Bài toán tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA. Từ những khảo sát tổng quan về nguyên lý và đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang, tác giả đi sâu vào tìm hiểu, tìm hiểu vấn đề nâng cao chất lượng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA trong môi trường đơn tế bào và môi trường đa tế bào. Chương này trình bày các biểu thức giải tích và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật tách sóng đơn người dùng và kỹ thuật tách sóng đa người dùng của hệ thống MC-CDMA. Tìm hiểu mối quan hệ giữa các giải pháp tách tín hiệu tuyến tính MMSEC và MMSE MUD. Phần cuối chương, tác giả đưa ra một số kết quả mô phỏng. - Phụ lục: gồm một số chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab, kết quả đã đưa ra ở chương 4. Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng như thời gian nghiên cứu có hạn, nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất mong được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và bạn đọc. Thư về địa chỉ: [email protected] Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết Kính, giáo viên hướng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hướng đề tài, tài liệu tham khảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử - Viễn thông cùng các Thầy Cô Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trường. Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2007 Học viên thực hiện Ngô Thị Thanh Hải 13 Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 1.1 Giới thiệu [1,3,4] Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu tiên sử dụng kỹ thuật MCM là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu 150 bit/s. Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả nhờ phép biến đổi Fourrier rời rạc (DFT) và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) càng được quan tâm hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật OFDM là trường hợp riêng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Như vậy, OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh. Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao với những ưu điểm nổi bật như khả năng đáp ứng truyền thông tốc độ cao, ổn định, khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt là chống phading đa đường trên những môi trường khác nhau: hữu tuyến cũng như vô tuyến, hiệu quả sử dụng phổ tần cao, … đã trở thành một kỹ thuật quan trọng được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về loại hình truyền tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay. Hệ thống OFDM hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang con có tần số khác nhau. Hệ OFDM phân chia dải tần làm việc thành các băng tần con khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các sóng mang con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ tần của các băng con chồng lên nhau mà không gây nhiễu, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần. Mặc dù công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ trước trong các hệ thống vô tuyến quân sự nhưng ít được quan tâm. Chỉ khi các công nghệ xử lý tín hiệu phát triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các thuật toán FFT/IFFT cho điều chế và giải điều chế sóng mang, cách chèn khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa ISI và nhiễu xuyên kênh ICI 14 mới đem đến nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống OFDM thì kỹ thuật này mới giành được nhiều sự quan tâm như ngày nay. Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau, nên ở máy thu có thể tách chúng mà không bị nhiễu của các sóng mang khác, nhờ vậy sẽ hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến trong đó suy hao quan trọng nhất là hiện tượng phading. Nếu kỹ thuật OFDM có nhiều tần số sóng mang con thì phading chỉ ảnh hưởng hữu hạn lên chúng. Các sóng mang con băng hẹp nên thông tin được điều chế trong các sóng mang con này có thể truyền qua kênh một cách tin cậy, cho chất lượng kết nối và truyền thông qua các kênh vô tuyến cao hơn. Hệ thống OFDM cho phép triển khai một máy thu không cần bộ cân bằng hoặc sử dụng bộ cân bằng đơn giản mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh chọn lọc tần số. Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán theo thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường. Đây chính là lý do khiến OFDM được sử dụng trong các hệ thống quảng bá như DAB, DVB và ADSL của ETSI cũng như đề xuất cho các tiêu chuẩn WLAN như Hiper LAN 2, WLAN 802.11. 1.2 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM S0 n(t) 0 (t ) ……. s(t) r0 0 (t ) h(t   ) ……. t=T rn 0 (t )  N 1 (t ) t=T SN-1 Hình1.1: Mô hình điều chế OFDM tương tự Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên những nhánh thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự được biểu diễn dưới dạng sóng mang phức: Sc (t )  Ac (t )e j ( t  (t )) (1.1) c c Trong đó Ac (t) và c (t ) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh n, c  0  c là tần số của các sóng mang con tại các nhánh khác nhau (chúng trực giao với nhau). 15 Khi đó tín hiệu OFDM thu được từ phép điều chế là tổng các sóng mang con trên các nhánh thành phần: 1 N 1 (1.2) SOFDM (t )   An (t )e j ( t  ( t )) N n 0 Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài của một ký hiệu OFDM thì An(t) và n (t ) sẽ không thay đổi: An (t)=An và n (t ) = n . n n Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T0 ta có 1 N 1 SOFDM (kT0 )   An e j [  n ) kT  ] N n 0 (1.3) 1 N 1   Ane j e j (  n ) kT N n 0 Không mất tính tổng quát nếu ta giả sử 0  0 và T0=T/N, lúc đó 0 0 n n 0 kT jn 1 N 1 jn N SOFDM (kT0 )   Ane e N n 0 kT jn 2f 1 N 1 jn N   Ane e N n 0 (1.4) 2 nk fT j 1 N 1 jn   Ane e N N n 0 So sánh biểu thức (1.4) với phép biến đổi ngược DFT của N điểm rời rạc Sc(kT) ở tại N đầu ra của bộ IFFT là : S IFFT (kT0 )  1 N N 1  Sc ( n 0 n j )e NT 2nk N (1.5) Ta thấy giữa chúng có sự tương đương, do đó hoàn toàn có thể thực hiện việc điều chế tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử dụng các bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả các điều kiện mà một hệ OFDM tương tự yêu cầu. Trong đó điều kiện quan trọng nhất là tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con. Điều này thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa sóng mang con là:  1 1 f    (1.6) 2 T NT0 Với T là chu kỳ ký hiệu OFDM. T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu của mỗi ký hiệu OFDM 16 1.3 Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi IFFT/FFT Data phát S0 d0 Chuyển Điều chế ... M-QAM … đổi S/P dN-1 SN-1 S0 Chuyển IFFT … đổi P/S SN-1 Chèn CP HPA D/A ftx Khối phát R0 d’0 Giải điều r0 Data thu Chuyển Chuyển … … chế FFT … đổi P/S đổi S/P M-QAM ’ d N-1 RN-1 R N-1 Khối thu RFOSCI Loại CP Kênh truyền A/D ftx RFOSCI Hình 1.2: Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT a. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát nối tiếp với tốc độ bit cao sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song. Tốc độ bit phát đi trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu và phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng. b. Bộ điều chế M-QAM (hoặc QPSK) Các nhánh con tốc độ bit thấp được điều chế M-QAM (hoặc QPSK). Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang khi đó các nhóm n bit (2n=M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh. Kết quả thu được là các tín hiệu M-QAM (hoặc QPSK). Như vậy, mỗi ký hiệu M-QAM (hoặc QPSK) sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn bằng các vectơ phức I-Q. c. Bộ biến đổi IFFT Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con sau đó được lấy mẫu và đưa đến các đầu vào của bộ biến đổi IFFT N đầu vào. Thông thường số sóng mang con thực sự được sử dụng nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT vì trong số N đầu vào của nó thì có một số đầu vào (gọi là các đầu vào ảo) được sử 17 dụng cho mục đích khác như: tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc chèn tiền tố lặp, … Sau khi thực hiện biến đổi IFFT ta thu được các mẫu tín hiệu Sfi(nT). Đó là các mẫu tín hiệu trực giao ứng với các sóng mang con trực giao có tần số f i  f c  kf S fi (nT )  1 N N 1 S e n 0 n j 2nk N với n  0, N  1 (1.7) Các bộ biến đổi IFFT/FFT đều dựa trên các thuật toán biến đổi Fourier nhanh, do đó số lượng các phép nhân phức được giảm xuống nhiều (chỉ còn N/2log2N phép nhân phức so với N phép nhân phức của bộ DFT thông thường). Chính điều này làm nâng cao tính đơn giản và hiệu quả của việc sử dụng các bộ IFFT/FFT trong kỹ thuật điều chế OFDM. d. Bộ biến đổi song song - nối tiếp Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi song song - nối tiếp để truyền đi trên đường truyền. Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau. Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là T và N là kích cỡ của bộ biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu là T=N.T0. Mỗi ký hiệu trên tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu Sfi thu được sau biến đổi IFFT. Các mẫu này sẽ quy định tính chất đặc trưng của mỗi ký hiệu OFDM. Trong quá trình truyền đi, tập ký hiệu này thường được đánh dấu để phân biệt bằng phương pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa các ký hiệu OFDM. Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều chế và đồng bộ ở nơi thu. Chính vì những đặc điểm này mà ký hiệu OFDM được tạo bởi N mẫu trên còn được gọi là các cửa sổ “trượt” OFDM. e. Chèn tiền tố vòng CP Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi ta thêm vào các khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trễ trải cực đại gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là kênh phading đa đường. Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống, mặc dù tránh được hiện tượng ISI nhưng lại không thể tránh được nhiễu xuyên âm giữa các sóng mang ICI xảy 18 ra. Bởi vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh phading thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con thành phần. Vì vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu OFDM không còn nữa, đó là nguyên nhân làm tăng nhiễu ISI sau khi ký hiệu được giải điều chế ở nơi thu. Như vậy để có khả năng triệt nhiễu ISI và khả năng chống lại nhiễu ICI thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt, và kỹ thuật sử dụng ký hiệu đặc biệt này gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP. Ký hiệu đặc biệt đó chính là phiên bản sao chép của đoạn dữ liệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM và bản sao này sau đó được ghép vào đầu mỗi ký hiệu OFDM. Sao chép IFFT GI TG Ký hiệu (N-1) IFFT Ts GI IFFT TFFT Ký hiệu N Hình 1.3: Kỹ thuật chèn tiền tố vòng CP Ký hiệu (N+1) Khi đó, nhờ tín hiệu tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ tín hiệu mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì và do vậy có thể tránh được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về pha giữa các ký hiệu OFDM. Việc sử dụng khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp CP đặc biệt ngoài khả năng chống ICI và ISI tốt còn có tác dụng lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu. Tuy nhiên việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào cuối ký hiệu OFDM truyền đi có thể làm giảm hiệu suất. Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã làm cho việc sử dụng kỹ thuật này trở nên phổ biến mà hệ thống OFDM nào cũng phải sử dụng. f. Bộ chuyển đổi D/A, dao động cao tần RF, bộ khuyếch đại công suất HPA. Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn khoảng bảo vệ, các ký hiệu này phải qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang tương tự và được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần vô tuyến RF, sau đó có thể đưa tín hiệu lên kênh truyền để tới máy thu. 19 Bộ khuyếch đại HPA có tác dụng khuyếch đại công suất tín hiệu trước khí tín hiệu được phát đi. HPA cần có những thuật toán làm giảm mức công suất đỉnh trên công suất trung bình dẫn đến giảm PAR. 1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM a. Ưu điểm - Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh phading chọn lọc tần số: Một trở ngại lớn đối với hệ đơn sóng mang truyền thông tốc độ cao là vấn đề phading chọn lọc tần số vì trong trường hợp truyền tin tốc độ cao thì thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu đơn sóng mang nhỏ (tức phổ tần số rộng) điều này làm cho tín hiệu trên kênh rất nhạy với hiện tượng phading chọn lọc tần số. Còn đối với hệ đa sóng mang, nhược điểm trên được khắc phục khá tốt bởi đặc điểm quan trọng nhất của hệ đa sóng mang là chia luồng dữ liệu tốc độ cao ban đầu thành các luồng con song song có tốc độ nhỏ hơn n lần so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu. Tín hiệu sau khi điều chế truyền trên kênh truyền là các ký hiệu OFDM có khoảng thời gian kéo dài lớn, phổ hẹp. Do vậy tác động của kênh phading lên tín hiệu OFDM truyền đi có thể được coi là “phẳng” và hiện tượng ISI giảm đi rất nhiều. - Tính phân tập tần số cao, đề kháng nhiễu băng hẹp. Trong trường hợp một hệ đơn sóng mang truyền thông tin với tốc độ cao, và khoảng thời gian kéo dài của các ký hiệu (chu kỳ ký hiệu) bị thu hẹp lại thì băng tần của các tín hiệu sẽ mở rộng quanh một tần số sóng mang trung tâm và tập trung một số lượng lớn thông tin trên một đoạn dải tần. Điều này sẽ thực sự nguy hiểm nếu như dải tần này bị tác động của khe phading trong đáp ứng tần số của kênh phading chọn lọc tần số vì kết quả là tỷ lệ lỗi bit BER tăng cao. Muốn giảm được ảnh hưởng này, ta phải sử dụng phương pháp phân tập theo thời gian, theo không gian hoặc theo tần số. Trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang, do sử dụng nhiều sóng mang nên tự bản thân kỹ thuật này đã tạo ra khả năng phân tập rất tốt theo tần số làm cho OFDM có tính kháng nhiễu băng hẹp. - Hiệu suất sử dụng phổ cao. OFDM sử dụng nhiều sóng mang trực giao. Nghĩa là các sóng mang con có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo được khả năng 20 chống ICI tại đầu thu. Vì vậy, hệ thống OFDM có hiệu quả sử dụng phổ tần cao. Nếu sử dụng N sóng mang con thì hệ thống chiếm dải tần tổng cộng là: N 1 (1.8) BWtotal   ( N  1)F Ts Khi N lớn thì BWtotal  N .F . Trong khi dải thông để có thể truyền được dữ liệu giống như vậy trong hệ FDMA cần là BWtotal  2.N .F Tần số Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số thông thường Tiết kiệm băng tần Tần số Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Hình 1.4: So sánh sự sử dụng băng tần của hệ thống FDM và OFDM - Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống. Sở dĩ do ta sử dụng bộ biến đổi IFFT/FFT trong điều chế và giải điều chế OFDM nên việc thực thi hệ thống OFDM trở nên đơn giản và hiệu quả hơn nhiều so với trước đây. Cùng với công nghệ vi mạch tích hợp, tốc độ xử lý cao đang có những bước phát triển lớn như hiện nay thì hệ thống OFDM sẽ hứa hẹn một khả năng đáp ứng với chất lượng tốt và ổn định trong tương lai không xa. b. Nhược điểm - Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình (PAR) cao. Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phần tín hiệu nên biên độ của nó có đỉnh cao, dẫn đến tỉ số PAR cao. PAR cao dẫn đến điểm làm việc của bộ khuyếch đại công suất bị đẩy lùi về vùng phi tuyến làm ảnh hưởng đến tín hiệu phát đi. Chính vì vậy, trong thực tế luồng ký hiệu OFDM phải được làm giảm PAR trước khi đi qua bộ khuyếch đại công suất nhờ các thuật toán làm giảm PAR. - Hệ thống rất nhạy với độ dịch tần do vậy đòi hỏi quá trình đồng bộ rất chặt chẽ. Vấn đề đồng bộ là khâu rất quan trọng không chỉ trong hệ điều chế đa sóng mang mà còn là khâu không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin 21 số nói chung. Song với đặc thù của hệ OFDM đã làm cho hệ thống nhạy cảm với nhiều yếu tố tác động như: nhiễu tạp âm, lỗi định thời ký hiệu, lỗi dịch tần số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu, … Chính vì vậy, việc thực hiện đồng bộ trong hệ OFDM gặp nhiều khó khăn hơn so với các hệ thống thông thường. Tóm lại Chương 1 đã trình bày về: - Cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM. - Tìm hiểu, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng bộ biến đổi FFT/IFFT. - Phân tích một số ưu điểm và nhược điểm chính của hệ thống OFDM.