Tải bản đầy đủ

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


một mẫu tin OFDM

được chia thành

mẫu tín hiệu, khi đó độ rộng của một

chu kỳ lấy mẫu là:

Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhận được sẽ trở thành luồng tín hiệu số:
(1.12)
Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế được biểu diễn dưới dạng số như sau:

(1.13)

Tách sự biểu diễn của thành phần hàm số mũ thành tích của hai thành

phần, khị đó ta có:

Với chú ý rằng

, trong biểu thức trên có thể nhận thấy rằng

. Mặt khác,

. Do vậy:

21


(1.14)

Một sự trùng hợp bất ngờ là biểu thức trên lại chính là phép biểu diễn DFT
với chiều dài

. Mối liên hệ này được Weinstein và Ebert tìm được năm 1971.

Đặc biệt là khi

là bội số của cơ số 2, phép thực hiện DFT được thay thế

bằng phép biến đổi nhanh FFT.
Sơ đồ khối của bộ giải điều chế OFDM thực hiện bằng phép biến đổi nhanh
FFT được trình bày như sau:

Hình 1.4. Sử dụng thuật toán FFT trong giải điều chế OFDM
1.4. Tính trực giao
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm
trực chuẩn(Orthogonal basic)

có tính chất sau:

22


(1.15)
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 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Hình 1.5. Tính trực giao của hai vectơ vuông góc với nhau
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:

(1.16)
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác
nhau thì quá trình này cũng bằng 0

23


Hình 1.6. 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:

Hình 1.7. 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

24


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.
 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 .
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 1.8. Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang
1.5. 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
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×