Tài liệu Kỹ thuật ofdm và ứng dụng trong wimax

MỞ ĐẦU Hiện nay các hệ thống cung cấp dịch vụ truy cập băng rộng phần lớn vẫn là các hệ thống DSL cung cấp truy cập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm. Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy cập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiện cứu triển khai các hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng WiMax là hết sức cần thiết. Mạng không dây là một trong những bƣớc tiến lớn nhất của ngành truyền thông. Mạng không dây sau đó tiếp tục đƣợc quan tâm nhiều hơn nhờ sự phổ biến mạnh mẽ của kết nối Internet băng rộng tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở thành phƣơng thức dễ nhất cho phép nhiều máy tính chia sẻ một đƣờng truy cập bằng rộng. Trong qua trình học tập tại trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên cũng nhƣ trong qúa trình công tác và tham quan thực tế tại Công ty Điện toán và Truyền số liệu (VDC), Viễn thông Hà Nội, tôi đƣợc tiếp xúc và tham khảo nhiều tài liệu về công nghệ này. Công nghệ WiMax (World interoperability for Microwave Acess); khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu với truy nhập vi ba dựa trên cơ sở hệ thống tiêu chuận kỹ thuật IEEE 802.16 với nhiều ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lƣợng dịch vụ đƣợc thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không đƣợc cấp phép … WiMax là công nghệ không dây băng rộng đƣợc hỗ trợ mạnh mẽ bởi nền công nghiệp máy tính và viễn thông với chi phí thấp và đƣợc chuẩn hóa. WiMax có thể bao phủ một vùng diện tích rộng lớn tới 50km và cung cấp tốc độ bít lên tới 70Mbit/s cho ngƣời dung. Trong hệ thống WiMax, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multipleixing ) và đa anten phát – đa anten thu MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) là hai kỹ thuật then chốt. Tuy WIMAX mới đƣợc bắt đầu triển khai trên các hệ thống thử nghiệm nhƣng nó đang là xu hƣớng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định và di động. 1 Theo đánh giá của các chuyên gia thì WiMAX di động sẽ nhanh chóng vƣợt qua những công nghệ hiện có nhƣ Wi-Fi hay 3G. Ở Việt Nam, công nghệ WIMAX đang đƣợc các nhà khoa học cũng nhƣ các doanh nghiệp rất quan tâm. Để làm chủ công nghệ cũng nhƣ triển khai ứng dụng rộng rãi WIMAX ở Việt Nam, cần phải nắm vững và hiểu biết sâu sắc bản chất công nghệ mà hệ thống này sẽ sử dụng. Ngoài ra cần phải biết tính toán thiết kế thử nghiệm hệ thống, một công việc vô cùng quan trọng đối với các kỹ sƣ và cán bộ kỹ thuật. Với lý do này tôi chọn đề tài “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong WIMAX”. Luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng với các vấn đề nghiên cứu nhƣ sau đây : Chƣơng 1: Kỹ thuật điều chế OFDM – đa sóng mang trực giao Chƣơng 2: Kỹ thuật MIMO – Đa anten phát và đa anten thu Chƣơng 3. Hệ thống WiMAX. Chƣơng 4: Tính toán hệ thống WiMAX và triển khai thử nghiệm WiMAX di động ở Viễn thông Hà Nội của tập đoàn bƣu chính viễn thông Việt Nam. Luận văn này đã đƣợc hoàn thành sau thời gian nghiên cứu, làm việc với tình thần nghiêm túc và nỗ lực, nhƣng chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Do vậy tôi rất mong muốn nhân đƣợc sự chỉ bảo, góp ý thêm của thầy cô và bạn bè đồng nghiệp nhằm hoàn thiện hơn nữa luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đớ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung, Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng góp ý cho tôi nhiều điều vô cùng quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Bắc Ninh ,Ngày tháng năm 2012 Học viên: Nguyễn Hồng Lạc Lớp cao học KTĐT K13 – khóa (2010-2012) 2 CHƢƠNG 1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 1.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM về cơ bản là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế FDM chia luồng dữ liệu thành nhiều đƣờng truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này đƣợc phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại đƣợc tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thƣờng. Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM Số lƣợng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tƣơng ứng với kích thƣớc FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tƣơng ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tƣơng đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh. 3 a) Tín hiệu OFDM b) Phổ OFDM Hình 1.2 Tín hiệu và phổ OFDM 1.1.2 Lịch sử phát triển: Kỹ thuật OFDM do R.W.Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 45 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã đƣợc thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weitein và Ebert, ngƣời đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT. Phát mình này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM đƣợc ứng dụng rộng rãi 4 thay vì sự dung IDFT ngƣời ta có thể sự dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Năm 2001, Viện kỹ sƣ Điện và Điện tử (IEEE) đƣa ra bộ tiêu chuẩn 802.16 cho truy cập không dây băng thông rộng. Công nghệ WIMAX theo giao thức chuẩn 802.16e có nghĩa là có chức năng tƣơng tự WiFi. Nhƣng tầm phủ sóng của WiMAX xa hơn, có thể đạt tới hàng chục km (lên đến 50 km) và nhanh hơn (tƣơng lai tốc độ lên tới 1 GB) Vì vậy WiMAX có thể đƣợc sử dụng cho cả mạng CDMA và GSM hay nói cách khác giống nhƣ một chiếc điện thoại có tính năng WiFi đang tồn tại trong các loại điện thoại di động CDMA và GSM. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đƣờng dài trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Đồng thời WiMAX ra đời sẽ cung cấp một phƣơng tiện truy cập Intemet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi, đây là gậy thách thức lơn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp lắp đặt và bảo trì. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tƣơng tự nhƣ mạng điện thoại tế bào . WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo nhƣ WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất. Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau , nhờ vậy phổ tín hiện ở sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lơn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thƣờng. Nhờ đó OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lƣợng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách là thích nghi tốc độ dữ liệu trên mối sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. 5 Các công nghệ truy nhập Intemet phổ biến hiện nay nhƣ ADSL, hay các đƣờng thuê kênh riêng, 3G, hay mạng WiFi. Đối vơi ADSL tốc độ có thể lên đến 8 Mbit/s nhƣng cần có đƣờng dây kết nối, các đƣờng thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà khó triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6kbit/s quá thấp so với nhu cầu ngƣời sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM nhƣ GPRS (2.5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên tới 171,2 kbit/s Hay EDGE khoảng 300- 400kbit/s cũng chƣa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Intermet, ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Intermet cũng không vƣợt quá 2 Mb/s, với mạng WiFi (chính là mạng Lan không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn. với thực tế nhƣ vậy ,WiMax (Worlwide Interoperability Mô hình truyền thông của WiMax For Microwave Access ra đời nhằm cung cấp một phƣơng tiện truy cập Intermet không dây tổng hợp có thể cho ADSLvà WIFI. Thực tế WiMax hoạt động tƣơng tự WiFi nhƣng tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lƣợng lơn. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần: *Trạm phát: giống nhƣ các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8.000 km2 , *Trạm thu: có thể là anten nhỏ nhƣ Card mạng cắm vào hoặc đƣợc thiết lập sẵn trên Mainboard có thể phủ sóng đến những vùng rất xa. Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trƣờng hợp truyền thẳng , các anten đƣợc đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trƣờng hợp này ổn định và tốc độ truyền có 6 thể tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu bít ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trƣờng hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn , 2 -11 GHz, tƣơng tự nhƣ ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vƣợt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uống cong. Vòng qua các vật thể để đến đích. 1.1.3 Cấu trúc, chức năng của hệ thống OFDM Sơ đồ khối một hệ thống OFDM đƣợc hinh họa theo hình sau: Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM Khối biến đổi nối tiếp sang song song ( Serial to Para ) Luồng số liệu nối tiếp (Serial) đi vào đƣợc tạo kích cỡ theo yêu cầu tuyền dẫn (điều chế QAM) và chuyển thành dạng song song. Dữ liệu đƣợc phát song song bằng cách gán mối từ cho 1 sóng mang để điều chế tín hiệu. Khối điều chế ( Modualation Mapping ) Dữ liệu đƣợc phát trên mỗi sóng mang đƣợc mã hóa vi sai và điều chế mã M – QAM. Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu đƣợc bổ sung vào đầu chuỗi. Dữ liệu trên mỗi ký hiệu sau đó đƣợc với một góc pha nhất định dựa theo phƣơng thức điều chế. Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên độ không đổi và đơn giảm các vấn đề biến đổi pha do fading. 7 Khối biến đổi Fourier ngƣợc ( IFFT) Sau khi phổ yêu cầu đã đƣợc xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời tƣơng ứng biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc IDFT, và biến đổi Fourier rời rạc DFT đƣợc sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên sóng mang con trực giao. Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu. Trong trƣờng hợp , N đƣợc lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh ( IFFT, FFT ) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế. Khối chèn khoảng bảo vệ Khối bảo vệ đƣợc thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm hai phần, một nửa phát biên độ Zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời kỳ, làm giảm SNR tới 0,5 tới 1 dB Khối kênh truyền dẫn vô tuyến Một mô hình kênh đƣợc áp dụng cho tín hiệu phát. Mô hình cho phép điều khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đƣờng và công suất đỉnh, SNR đƣợc lập bằng cách thêm một lƣợng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đƣờng đƣợc mô tả bẳng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tƣơng ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số biên độ tƣơng ứng với lƣợng tín hiệu phản hồi. Máy thu Máy thu về cơ bản hoạt động ngƣợc lại so với máy phát, khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ, biên độ Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM Ưu điểm: Kỹ thuật OFDM có nhiều ƣu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có đƣợc. OFDM cho phép truyền thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra đƣợc dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông 8 hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất CP (cylic prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đƣờng thì hiện tƣợng nhiễu liên ký tự ISI sẽ đƣợc loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cylic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng nhƣ giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu đƣợc điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT. Nhược điểm: OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhƣợc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak- to-Average Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA (High-Power Amplifier). Một nhƣợc điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. Ứng dụng kỹ thuật OFDM Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới nhƣ : - Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB –T ( Digital Video Broadcasting For Terrestrihal Transmission ). - Hệ thống phát thanh số đƣờng dài DRM ( Digital radio Mondiale ). - Truy cập intermet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber line ). - Các chuẩn IEEE 802.1, IEEE 802.11g - Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High pefomance local Area NetWok type 2 ) - Đặc biệt OFDM là ứng cử viện triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy nhập Intermet không dây băng rộng theo tiêu chuận Wimax). 9 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Intemet ADSL, hiện nay đã đƣợc ứng dụng rất rộng ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình mặt đất DVB – T cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DRM chắc chắn sẽ đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây nhƣ Hyper LAN/2. IEEE 802.1 sẽ đƣợc khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện nay trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiệm WiMax ứng dụng công nghệ OFDM nhƣ VNPT , VTC …. 1.1.4 Các hướng phát triển tương lai Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 G. Trong hệ thông thống tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập của mạng. Một vài hƣớng nghiện cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiểu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần thêm thời gian để kiểm chứng. 1.2 Nguyên lý điều chế OFDM 1.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu Nếu ký hiệu các sóng mang con đƣợc dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau : 1 T Trong đó : ts T  si  t   s j  t  dt  ts sk (t) = k, 0, i=j i≠j e(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N 0 , k khác 10 (1.1) (1.2) Δf= 1 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N T là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian. Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. Trong toán học, số hạng trực giao có đƣợc từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vectơ đƣợc gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Hình 1.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 1.2.2 Bộ điều chế OFDM Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể. Sự trực giao của các sóng mang phụ đƣợc thực hiện nhƣ sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p đƣợc dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép biến nhân hàm phức ejp  s t , trong đó ω = 2Πf = 2Π 1/T là khoảng cách tần số giữa hai song s s s mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà các song mang phụ trực giao đƣợc với nhau. Tính trực giao của hai song mang phụ p và q đƣợc kiểm chứng nhƣ sau: (1.3) 11 Ở phƣơng trình trên ta thấy hai song mang phụ thuộc p và q trực giao với nhau do tích phân của một song mang với liên hiệp phức của song mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trƣờng hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc của phép điều chế OFDM. ai ,  L d k , L Xung cơ sở X ejL  s t ai ,n d k ,n al  Xung cơ sở X m,(t) m(t) ejn  s t ai ,  L d k , L Xung cơ sở X e- jL  s t Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n   L,L  1,...,1,0,1,..., L  1, L, nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào al  chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song al  lại đƣợc điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức d k ,n , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tƣơng ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát d k ,n đƣợc nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó đƣợc dịch tần lên đến kênh con tƣơng ứng bằng việc nhân với hàm phức ejL  s t làm các tín hiệu trên các sóng mang , 12 trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng đƣợc biểu diễn nhƣ sau L d ’ m k(t)= m L k ,n S ' (t  kT )e jst (1.4) Tín hiệu này đƣợc gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là  m(t)= m k   ' k  (t ) = L  d k   m L k ,n S ' (t  kT )e jst (1.5) Trƣớc khi phát đi thì tín hiệu OFDM đƣợc chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Phép điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc bằng phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT ngƣời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phƣơng pháp biến đổi ngƣợc Fourrier nhanh cho phép một số lƣợng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp. 1.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tƣơng tự thành số, luồng tín hiệu trên đƣợc lấy mẫu với tần số lấy mẫu ta= T 1 1 = = S B N FFT N FFT (1.6) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại : L ’ m k(kTs+lta) = S0 d n  L k ,n L =S0 d n L k ,n . e jns ( kTS lta ) e jnskTS .e jnS lta Do ωSkTS = 2 f S k 1  2k , kết quả e jn kT  1 S S fS Tƣơng tự nhƣ vậy, với e jnS lt a e jn 2f S 1 f S N FFT 13 e j 2 nl N FFT , (2.6) đƣợc viết lại: (1.7) L m’k(kTs+lta)=S0 d n L j 2 k ,n e nl N FFT (1.8) Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. 1.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Ƣu điểm của phƣơng pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tƣơng ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau đƣợc sao chép lên phần phía trƣớc của mẫu tín hiệu nhƣ hình vẽ sau: GI Phần tín hiệutín có hiệu ích có ích Phần Hình 1.6 Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn đƣợc gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đƣờng. Nguyên tắc này giải thích nhƣ sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đƣờng multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đƣờng khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo đƣờng thứ nhất không có trễ, các đƣờng thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đƣờng thứ nhất. Tín hiệu thu đƣợc ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trƣớc sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tƣợng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tƣợng này. Trong trƣờng hợp TG ≥τ MAX nhƣ hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trƣớc khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hƣởng bởi ISI là: 14 TG ≥τ MAX (2.8) với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh. a ) Không có GI b) Có GI Hình 1.7 Tác dụng của chuỗi bảo vệ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lƣợng là:  TS TS  TG (1.9) 15 1.2.5 Phép nhân với xung cơ bản Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trƣớc khi truyền đi đều đƣợc nhân với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trong trƣờng hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín hiệu trƣớc khi phát đi đƣợc nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thƣờng là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG. S(t) -TG 0 TS T Hình 1.8 Xung cơ bản Trong thực tế xung cơ bản thƣờng đƣợc sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise cosine filter). 1.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 1.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường Kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng,về mặt toán học, đƣợc biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t). Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh  H(jω,t)=  h( , t )e  j  d (2.0)  Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung: 16 u(t) m(t) h(τ,t) H(jω,t) Hình 1.9 Mô hình kênh truyền Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) = m(t) * h(  , t )  maz =  h( , t )m(t   )d (2.1) 0 1.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 1.3.2.1 Sơ đồ ^ ^ d k ,L a i,L ^ ^ Giải điều chế d k ,n a i ,n ^ ^ Giải điều chế d k , L a i, L Giải điều chế X e- jL  s t u(t) X ^  a l    ejn  s t X ejL  s t Hình 1.10 Bộ thu tín hiệu OFDM Các bƣớc thực hiện ở đây đều ngƣợc lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ đƣợc tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các 17 sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp (k-1)T kT (k-1)TS t kTS Hình 1.11 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận đƣợc là: u’(kTS+t)=u(kT+t) (2.12) 1.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts đƣợc chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu đƣợc lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Khi đó độ rộng một mẫu là : ta = Ts N FFT (2.3) Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân đƣợc sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u’(t) => uk’(kTs + nta) , n=0,1,2,....,NFFT – 1 (2.4) ^ Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế d k ,l đƣợc biểu diễn dƣới dạng số: ta TS ^ d k ,l = N FFT 1 u n 0 ' k (kTS  nt a )e  jlS ( kTS  nta ) (2.5) Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.5) đƣợc viết lại dƣới dạng: ^ d k ,l = Với S  2 ta TS N FFT 1 u n 0 ' k (kTS  nt a )e  jlS kTS e  jlS nta 1 , thì e  jlS kTS  e  jlk 2  1 T 18 (2.6) Mặt khác,  S t a  2 ^ d k ,l = 1 2 nên (2.16) viết lại: ta  TS N FFT N FFT 1 1 N FFT u n 0 ' k (kTS  nt a )e  j 2n / N FFT ( 2.7) Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT. 1.4 Mô phỏng hệ thống OFDM Đề hiểu rõ hơn hệ thống OFDM, tôi đã tiến hành mô phỏng hệ thống OFDM đơn giản dùng Matlab/Sumulink. Sơ đồ khối hệ thống OFDM đơn giản mô phỏng trên ngôn ngữ Matlab/Sumulink 7.0 nhƣ trình bày trong hình 1.12. Dữ liệu Nối Tiếp/song Song IFFT Song Song/nối tiếp Chèn khoảng Bảo vệ Kênh vô Tuyến Tách khoảng Bảo vệ Dữ liệu Song song Nối tiếp FFT Nối tiếp Song song Hình 1.12 sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM - Nguồn tin: có thể là một chuỗi bít bất kỳ, sóng dạng sin, file văn bản dạng.txt, hay file âm thanh dạng.wav - Khối nối tiếp song song: sẽ chuyển luồng bít sau mã hóa thành N luồng bít song song( N= số sóng mang) đƣợc thể hiển dƣới dạng ma trận (có số hàng là số symbol OFDM, số cột là số sóng mang). - Khối IFFT: chuyển tín hiệu từ miền tần số về thời gian. Đầu vào của khối này là ma trận gồm các phẩn tử phức và liên hiệp của nó, sau khi đi qua khối IFFT 19 sẽ chỉ có các phần thực đƣợc giữ lại. Đầu ra của khối IFFT là một ma trận có số hàng là số symbol, có số cột là kích thƣớc FFT. - Khối song song /Nối tiếp: chuyển đổi các luồng bít song song thành một luồng bít nối tiếp. Qúa trình này là việc chuyển ma trận đầu ra của khối IFFT và mà trận có một hàng, và có số cột là tích của số symbol với kích thƣớc của FFT. - Chèn khoảng bảo vệ: tín hiệu sau khối song song /nối tiếp đƣợc chèn khoảng bảo vệ ở đây là chuỗi bảo vệ. Việc này đƣợc thực hiện bằng cách copy phần cuối của mỗi symbol (có chiều dài là FFT bít) một đoạn có chiều dài là bằng chiều dài của khoảng bảo vệ, rồi chèn đoạn copy này vào đầu symbol để tạo thành một symbol mới có chiều dài là tổng của symbol cũ và khaỏng bảo vệ. Đầu ra của khối này là một ma trận có 1 hàng và có chiều dài là tich số symbol với tổng của kích thƣớc FFT và khoảng bảo vệ. - Kênh truyền: tín hiệu sau khi qua khối chèn khoảng bảo vệ sẽ đƣợc đƣa thẳng vào kênh truyền. Kênh truyền ở đây chịu ảnh hƣởng của nhiễu trắng và hiệu ứng đa đƣờng ( một đƣờng LOS và 2 đƣờng NLOS). Phía thu sẽ thực hiện các quá trình ngƣợc lại: tách khoảng bảo vệ, chuyển luồng bít từ nối tiếp thàng song song rồi đƣa vào khối FFT, sau đó chuyển thành luồng bít nối tiếp, qua giải mã rồi khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Kết quả sẽ đƣợc so sánh với đầu vào ban đầu để tính toán số bít lỗi và tỉ số lỗi bít. Hình 1.13 mô tả tín hiệu OFDM trong miền thời gian. Tín hiệu OFDM vẽ cho 16 kí hiệu OFDM.mỗi kí hiệu OFDM có 256 sóng mang con. Hình 1.13 Tín hiệu OFDM miền thời gian 20