Tài liệu Tìm hiểu một số cơ chế thích nghi sử dụng trong hệ thống ofdm

  • Số trang: 89 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 72 |
  • Lượt tải: 0
bangnguyen-hoai

Đã đăng 3509 tài liệu

Mô tả:

Luận văn TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM LỜI MỞ ĐẦU Xã hội thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi hỏi những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu cầu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn và nâng cao chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động. Một trong những nghiên cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng thành công ở hầu hết các kĩ thuật đa truy cập nói chung. 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 chọn lọc tần số, nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta 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. Trên cơ sở đó, đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ thể nhằm 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. Trên định hướng đó, đồ án được chia thành năm chương như sau: Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kĩ thuật OFDM Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM. Chương 2: Kĩ thuật OFDM Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền. Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh Để tối ưu, các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích nghi. Chương này trình bày một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước lượng kênh. Qua đó, đưa ra giải pháp ước lượng trong miền tần số và miền thời gian Chương 4: Kĩ thuật OFDM thích nghi Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây dựng giải thuật thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi, trên cơ sở đó lựa chọn hai cơ chế thích nghi: thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và thích nghi chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích nghi cho cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang. Chương 5: Chương trình mô phỏng Tiến hành so sánh các giải thuật điều chế trong trường hợp không thực hiện điều chế thích nghi và tiến hành thực hiện các cơ chế thích nghi theo kiểu chuyển mức điều chế, chọn lọc sóng mang. Sau đó sẽ tiến hành xem xét hiệu năng BER và thông lượng của hệ thống trong từng trường hợp thực hiên các giải thuật thích nghi. Được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Cường, cùng với những góp ý quí báu của các thầy cô trong khoa ĐT-VT bản thân em đã cố gắng hoàn thành đồ án với nội dung và mức độ nhất định. Do khả năng về kiến thức cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi, kính mong các thầy cô cùng các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện. Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường cùng các thầy cô trong khoa ĐT-VT đã giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2008 Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM. 1.2 Đặc tính chung Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. 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…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. 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. 1.3 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 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- Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 1.4 Các loại 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. 1.4.1 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. 1.4.2 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: Wc  1 / 2D  Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.  Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số. 1.5 Tạp âm trắng Gauss 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 -2- Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. 1.6 Hiện tượng Doppler Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn 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 : f   f 0 v c (1.1) Trong đó f 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. 1.7 Kết luận chương Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và cần thiết về đặc tính kênh vô tuyến như các loại Fading, hiện tượng trải trễ, Doppler, tạp âm trắng Gauss tác động lên kênh truyền vô tuyến nói chung và trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ở kĩ thuật OFDM nói riêng. Chương 2 sẽ tiếp tục trình bày về phần kĩ thuật của OFDM để hiểu rõ vì sao OFDM có khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số và fading nhiều tia như thế nào, đồng thời sẽ tìm hiểu một số ưu điểm nổi trội khác của kĩ thuật này. -3- Chương 2: Kỹ thuật OFDM CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các 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 lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về 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 phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM. Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh làm nền cho các chương sau. 2.2 Nguyên tắc của OFDM Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM). -4- Chương 2: Kỹ thuật OFDM BSCM và BMCM chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, fk,Fk(f;t), NSC và  f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ. Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau Nsc S MCM ( f ; t )   Fk ( f ; t ) (2.1) k 1 Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau R SCM ( f ; t )  H ( f ; t ) S SCM ( f ; t ) R MCM ( f ; t )  H ( f ; t ) S MCM ( f ; t ) (2.2) N SC   H k ( f ; t ) Fk ( f ; t ) k 1 ở đây SSCM(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và Hk(f;t) là hàm truyền tương ứng với dải tần Bk. Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của Hk(f;t) được xem như là không đổi trên Bk, vì vậy RMCM(f;t) xấp xỉ bằng N SC RMCM ( f ; t )   H k (t ) Fk ( f ; t ) (2.3) k 1 ở đây Hk(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng Bk. Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM. 2.3 Tính trực giao Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu -5- Chương 2: Kỹ thuật OFDM giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao. Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthogonal basic)  i (t ) / i  0,1...có tính chất sau: T2   (t ) i T1 k 1  i  k (t ) dt   ik   0  i  k (2.4) Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 90 0) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không. Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây. Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ có kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau: -6- Chương 2: Kỹ thuật OFDM Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá trình này cũng bằng 0 Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM. Nếu hai tích phân cùng tần số thì: -7- Chương 2: Kỹ thuật OFDM Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của só luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT. Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế. 2.3.1 Tính trực giao trong miền tần số Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ của hàm sin(x)/x . -8- Chương 2: Kỹ thuật OFDM Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các sóng mang khác về mặt tần số. Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang 2.4 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT. Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 , Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra fk = n∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng : -9- Chương 2: Kỹ thuật OFDM N 1 x a (t )   X (k )e j 2  k  ft , 0  t  Ts (2.5) k 0 Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.5) được viết lại như sau : N 1 xa ( n )  xa ( Ts )   X ( k ) e j 2  nkfTs / N n N (2.6) k 0 Nếu thỏa mãn điều kiện fTs  1 , (  f  1 Ts ) , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.6) được viết lại : N 1 xa ( n )   X (k )e j 2  nk / N  N . IDFT {X(k)} k 0 Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian. Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có : N 1 N 1 N 1 X * (k )  DFT{x a (n)}   xa (n)e  j 2 nk / N  1 N N 1  N 1  X ( m)  e m 0 j 2 n ( m  k ) / N n 0 m 0 n 0 1 N   X ( m )e N 1 j 2 n ( m  k ) / N  1 N n 0  X ( m) N  ( m  k ) m 0 N 1 =  X (m) (m  k ) = X (k ) (2.7) m0 Ở đây, hàm  (m  k ) là hàm delta, được định nghĩa là : 1 khi n  0  ( n)   0 khi n  0 Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là : 1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn sao cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,Ts]. Tức là, phải thỏa mãn công thức sau : - 10 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM Ts X m e j mt X l e jl t dt  0, m  l 0 Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/Ts). Hình 2.4 cũng chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng bộ trong hệ thống. 2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác. 3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào bộ 2NIFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có độ dài N. Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N là : X (k ), n  1,..., N  1  X ' (k )   *  X (2 N  k ), n  N  1,..,2 N  1 Và (2.8) X ' (0)  Re( X (0) X ' ( N )  Im( X (0) - 11 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM 2.5 Hệ thống OFDM Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống OFDM - 12 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao. Sau đó được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN). Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp. 2.6 Điều chế sóng mang con Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra. Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b 2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q . - 13 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM b0 b1 b2 I b3 b4 b5 Q 000 -7 000 -7 001 -5 001 -5 011 -3 011 -3 010 -1 010 -1 110 1 110 1 111 3 111 3 101 5 101 5 100 7 100 7 Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 2.7 Điều chế sóng mang cao tần Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được cho ở hình (2.7). Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q. Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự - 14 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 2.8 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự) Ta có Ts = Tg + TFFT Ts Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1 - 15 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM Ts Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM Ký tự OFDM lúc này có dạng : n   ,  1,... ,1  x( n  N ) xT (n )   n  0, 1,... , N  1  x ( n) (2.9) Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau Hình 2.9 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường : - 16 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM m h(t )   Ak  (t  Tk ) (2.10) k 1 Với : Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian. m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường. Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM. 2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian. TFFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, TG là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số khác, Twin là thời gian cửa sổ. Quan hệ giữa các thông số là: Tsym  TFFT  TG  Twin (2.11) Hình 2.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng. - 17 -
- Xem thêm -