Tải bản đầy đủ

cải thiện chất lượng hệ thống 4g sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP
KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN



Người thực hiện :
Lớp :
Người hướng dẫn :


Đà Nẵng - 2012


LỜI CAM ĐOAN

Em tên là :
Lớp :
Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử
dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Nội dung đồ án được
tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan
nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ
trước.

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện


Lời mở đầu

Trang 1



LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động
nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền
thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO – OFDM,
anten thông minh… giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống. Đặc biệt là kỹ
thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng
rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin
cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng
thông.
Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần
số và phân tập không gian. Trong đó phân tập không gian được sử dụng phổ biển.
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều
anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân
tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát. Cùng với kỹ
thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu
có thể xác định được thông tin truyền đi từ bên phát.
Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống
4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Đây là giải pháp
kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực


hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bit (BER).
Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương
thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM.
Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm
rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ.
Với việc sử dụng các công nghệ tiên tiến trong đó có công nghệ đa truy cập phân
chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính
năng ưu việt trên. Nội dung chương 1 sẽ phân tích mô hình hệ thống OFDM cũng
như các ưu điểm, nhược điểm… của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G.
Lời mở đầu

Trang 2



Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM.
Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng
trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn. Nội dung chương trình bày về đặc tính chung
của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu
thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN. Bên cạnh đó còn
trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai
khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu.
Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập
Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được
sử dụng trong hệ thống 4G. Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC
giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín
hiệu phát tốt nhất. Ngoài ra, chương này còn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát
mã hóa không gian-thời gian với mô hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống
được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone.
Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G
Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất
lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vô tuyến trên cơ sở sử
dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền.
Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày.
Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến
thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em không thể tránh khỏi thiếu
sót. Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy
em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS. Dư Quang Bình đã tận tình
hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này.
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Các từ viết tắt

Trang 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng
AM Amplified Modulation Điều biên
A/D Analog/ Digital Bộ chuyển đổi tương tự/ số
B
BER Bit Error Rate Tốc độ bit lỗi
BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha 2 mức.
C
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
D
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh.
D/A Digital/ Analog Bộ chuyển đổi số/ tương tự
E
EGC Equal Gain Combining Kết hợp cân bằng độ lợi
F
FFT Fast fourier transformer Chuyển đổi fourier nhanh.
G
GI Guard Interval Chuổi bảo vệ
I
ICI Inter-carrier interference Nhiễu liên sóng mang
IFFT Inverse FFT Chuyển đổi fourier nhanh ngược
ISI Inter-symbol interference Nhiễu giữa các biểu tượng
IMD Inter Modulation Distortion Nhiễu liên điều chế
M
MUX Multiplexer Bộ ghép kênh
MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại
O
Các từ viết tắt

Trang 4

OFDM Orthogonal frequency Ghép kênh phân chia
division mutiplex theo tần số trực giao.
P
P/S Parallel to Serial C/đ song song sang nối tiếp
PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung
bình
PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha
Q
QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương.
Modulaion
QPSK Quadrature PSK Điều chế cầu phương PSK
S
S/P Serial to Parallel C/Đ nối tiếp sang song song
SNR Signal noise to ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm.
STBC Space time coding Mã hóa không gian thời gian
SC Selection Combining Kết hợp lựa chọn

Mục lục

Trang 5

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CÁC TỪ VIẾT TẮT 3
MỤC LỤC 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
OFDM 8
1.1 Giới thiệu chương 8
1.2 Tổng quan hệ thống 4G 8
1.3 Công nghệ OFDM 9
1.3.1 Tính trực giao trong OFDM 10
1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM 13
1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM 14
1.3.4 Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial 14
1.3.5 Điều chế sóng mang con 15
1.3.6 Bộ IFFT và FFT 16
1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ 18
1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D 22
1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 22
1.3.9.1 Ưu điểm 22
1.3.9.2 Nhược điểm 22
1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 23
1.4 Kết luận chương 23
CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM 24
2.1 Giới thiệu chương 24
2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM 24
2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn 25
2.3.1 Hiện tượng Multipath Fading 25
2.3.2 Hiệu ứng Doppler 28
2.3.3 Nhiễu trắng AWGN 29
2.3.4 Nhiễu ISI 31
Mục lục

Trang 6

2.3.5 Nhiễu ICI 33
2.4 Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền 34
2.4.1 Mục đích ước lượng kênh truyền 34
2.4.2 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood 34
2.5 Kết luận chương 37
CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 38
3.1 Giới thiệu chương 38
3.2 Kỹ thuật phân tập thu 38
3.2.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập thu 38
3.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu 39
3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC 39
3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC 40
3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC 41
3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC 42
3.3 Kỹ thuật phân tập phát 43
3.3.1 Khái niệm kỹ thuật phân tập phát 43
3.3.2 Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát 43
3.3.3 Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian 44
3.3.3.1 Hệ thống mã hóa không gian- thời gian 44
3.3.3.2 Mô hình hệ thống Alamouti 46
3.3.3.3 Mô hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu 52
3.3.3.4 Mô hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu 55
3.4 Kết luận chương 58
CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G 59
4.1 Giới thiệu chương 59
4.2 Mô phỏng các thuật toán kỹ thuật phân tập thu anten 59
4.2.1 Thuật toán Threshold Combining 59
4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán 59
4.2.1.2 Kết quả mô phỏng 60
4.2.2 Thuật toán Selection Combining 62
Mục lục

Trang 7

4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán 62
4.2.2.2 Kết quả mô phỏng 63
4.2.3 Thuật toán Equal Gain Combining 64
4.2.3.1 Lưu đồ thuật toán 64
4.2.3.2 Kết quả mô phỏng 65
4.2.4 Thuật toán Maximal Ratio Combining 66
4.2.4.1 Lưu đồ thuật toán 66
4.2.4.2 Kết quả mô phỏng 67
4.2.5 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống 68
4.3 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC 70
4.3.1 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC với đáp
ứng kênh truyền hoàn hảo 70
4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán 70
4.3.1.2 Kết quả mô phỏng 71
4.3.2 Mô phỏng thuật toán mã hóa khối không gian – thời gian STBC có kết
hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood) 72
4.3.2.1 Lưu đồ thuật toán 72
4.3.2.2 Kết quả mô phỏng 73
4.3.3 Mô phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM 75
4.4 Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập
thu và phương pháp phân tập phát 76
4.5 Kết luận chương 77
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
PHẦN PHỤ LỤC

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 8

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ
tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ
mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G). 4G được định nghĩa là một nền tảng của
sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ
truyền dẫn và công suất tiêu thụ.
Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như
các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G. Bên cạnh đó, nội dung của chương còn đi
sâu phân tích về công nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống. Đây là một công nghệ
tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nó cho phép đảm bảo
tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải
tần được cấp phát. Nhờ các tính năng ưu việt này mà công nghệ OFDM trở thành
một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G.
1.2 Tổng quan hệ thống 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các
công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính
năng và chất lượng cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế
( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ
tư 4G. Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương
tiện tương tác, internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận
tốc truyền cũng như tính di động toàn cầu cao hơn. Các tính năng này không có ở hệ
thống 3G hiện nay.
Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu
4G trên thế giới. Vì phổ tần là nguồn tài nguyên vô tuyến cơ bản nhưng giới hạn
cho các công nghệ không dây. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp
10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại.
Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc
xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 9

v Các tham số cơ bản của hệ thống 4G
· Hệ thống 4G đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu lên đến 100 Mbps.
· Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là nó
hoàn toàn sử dụng phương thức chuyển mạch gói.
· Vận tốc di chuyển lớn nhất 200 km/ giờ.
· Để đáp ứng các yêu cầu mới đưa ra cần các hệ thống băng rộng với độ rộng
băng tần lớn hơn đáng kể so với hệ thống 3G. Băng tần cho hệ thống 4G sẽ là 2
GHz đến 8 GHz với độ rộng băng tần từ 5MHz đến 8 Mhz.
Các tham số này đến thời điểm hoàn thiện hệ thống 4G có thể thay đổi,
nhưng nó minh họa rõ sự khác biệt giữa hệ thống 3G và 4G.
Tốc độ truyền số liệu, yêu cầu cho hệ thống 4G có thể đạt được nhờ việc sử
dụng sơ đồ W- OFDM. Sơ đồ mạng nội vùng với ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao (Wi- Lan’s Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đây
là sơ đồ cho phép truyền đồng thời các dòng số liệu tốc độ lớn được mã hóa ở các
tần số cao. Điều này cho phép đảm bảo tính an toàn ở mức cao, tăng tốc độ truyền
dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải tần được cấp phát.
1.3 Công nghệ OFDM
Công nghệ OFDM là một trong những công nghệ chính được sử dụng trong
hệ thống 4G. Nó được R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ.
Công nghệ OFDM là công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và
ghép kênh. OFDM là một dạng của điều chế đa sóng mang làm việc theo nguyên tắc
phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N. Các
sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại
trước khi truyền dẫn. Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và
mã hóa dữ liệu trước khi điều chế. Một bộ IFFT ( Inverse Fast Fourier Transform)
biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự và được gửi đến bộ thu RF. Mạch
thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này. Với các sóng mang con
trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 10

các sóng mang con khác. OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn các
công nghệ truyền dẫn khác.
1.3.1 Tính trực giao trong công nghệ OFDM
Đây là tính chất rất quan trọng của tín hiệu OFDM, cho thấy được sự tiết
kiệm phổ tần khi sử dụng công nghệ OFDM.
Hình vẽ dưới đây so sánh mức chiếm phổ của kỹ thuật OFDM và FDM.


Hình 1.1 Hình vẽ biểu diễn sự so sánh mức chiếm phổ tần của tín hiệu
OFDM và FDM.
Với kỹ thuật FDM thì giữa hai kênh cần phải tách ra một khoảng bảo vệ giữa
hai sóng mang. Kỹ thuật OFDM cho phép mỗi kênh có thể có một hoặc nhiều sóng
mang trong khi kỹ thuật FDM thì mỗi kênh thì chỉ có một sóng mang con. Như vậy,
nhờ tính trực giao này mà tín hiệu OFDM giúp tiết kiệm được phổ tần.
Xét tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền thời gian thì sẽ có đáp ứng tần số là
sinc trong miền tần số. Hình dạng sinc có một búp chính hẹp, với nhiều búp cạnh
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 11

suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau từ trung tâm. Mỗi sóng mang con
có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗng với lỗ hổng tần số bằng khoảng
cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh sóng mang
con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại. Khi tín hiệu được tách bằng
cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình 1.2(a) mà gồm các mẫu rời
rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “o” như trong hình. Nếu DFT được đồng bộ thời
gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng đúng với đỉnh của sóng mang con, vì vậy
sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang con không ảnh hưởng đến bộ
thu. Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng với đáp ứng rỗng, dẫn đến sự
trực giao giữa các sóng mang con.


Hình 1.2 Đồ thị đáp ứng tần số sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone.
(a) Đồ thị phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét
bởi bộ thu.
(b) Đồ thị sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con ( đường đen dày).





Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 12

v Dạng biểu diễn toán học của sự trực giao
Hai hàm thực
( )
i
t
q

( )
j
t
q
được gọi là trực giao (orthogonal) với nhau trên
đoạn { 0, T }nếu:

0
( ). ( ) 0
T
i j
t t dt
q q
=
ò
với i ≠ j ( 1.1 )

0
( ). ( ) 1
T
i j
t t dt
q q
=
ò
với i = j ( 1.2 )
Xét hai hàm sin và cos sau:

( )
1
2
os 2
C
c f t
T
q p
=
( 1.3 )
( )
2
2
sin 2
C
f t
T
q p
=
( 1.4 )
Trong đó
2
T
được dùng để cho
( )
2
0
1
T
i
t dt
q
=
ò
với i = 1; 2.
· Xét biểu thức (1.2) với i = j =1 và tương tự hoàn toàn cho i = j = 2. Ta có:
( ) ( )
(
)
2
1
0 0
sin 4
2
0.5 1 os 4 1
4
T T
C
C
C
f t
t dt c f t dt
T f t
p
q p
p
é ù
= + = +
ë ûò ò
( 1.5 )
Với
C
f
T » 1 thì biểu thức (1.5) có giá trị là 1.
· Thay ( 1.3 ) và ( 1.4 ) vào ( 1.2 ) ta được:

( ) ( ) ( )
(
)
1 2
0 0
os 4
2
0.5sin 4 0
4
T T
C
C
C
c f t
t t dt f t dt
T f t
p
q q p
p
-
= = »
ò ò
( 1.6 )

Do vậy ta có thể dùng tập hợp trên như một tập hàm vectơ cơ sở trực giao.
Sóng mang con trong một tín hiệu OFDM được đặt chồng lấp lên nhau mà vẫn duy
trì tính trực giao giữa chúng. Tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu
sin, với mỗi tín hiệu sin tương ứng một sóng mang con.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 13

1.3.2 Tạo tín hiệu OFDM
Những chòm sao phức cho mỗi sóng mang và cho bước điều chế được cung cấp
bởi bộ tiền xử lý LCA (Logic Cell Array) để tạo các sóng mang điều chế. Các
symbol điều chế được xác định theo phần thực và phần ảo (tổ hợp của phần thực và
ảo này chính là symbol điều chế theo mã Gray). Các sóng mang được tập hợp trong
thanh ghi ngõ vào của chip IFFT, khi có đủ N sóng mang thì IFFT hoạt động, biến
đổi các sóng mang từ miền tần số sang miền thời gian. Các tín hiệu I/Q qua bộ biến
đổi D/A, theo sau đó là bộ điều chế I/Q đưa tín hiệu OFDM vào băng thông kênh
truyền.
Bộ điều chế I/Q gồm có hai bộ điều chế Double-Sideband AM (DSB AM)
với sóng mang dịch pha 90
0
, các tín hiệu ngõ ra được tổ hợp tạo ra tín hiệu OFDM
ở dạng analog, bộ điều chế I/Q chỉ tạo ra một phổ duy nhất mặc dù sử dụng hai bộ
điều chế DSB. Bộ phát OFDM tạo ra N dòng phổ trong băng tần hẹp, mỗi dòng phổ
tương ứng được xác định trong thời gian từng chu kỳ symbol, nhằm tạo ra tín hiệu
OFDM có N sóng mang với điều chế đã lựa chọn.
Trong suốt chu kỳ symbol, quan hệ biên độ và pha là cố định. Nhờ công nghệ
xử lý tín hiệu số thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh IFFT, tính toán các mẫu tín
hiệu thời gian là thành phần thực và ảo, sau đó cung cấp lại dạng nhị phân tại ngõ ra.
Các hệ số Fourier phức được thiết lập bằng giá trị phức của các sóng mang phụ điều
chế, chỉ có một số của N giá trị ngõ vào tương ứng với số sóng mang OFDM được sử
dụng, vì thế có thể sử dụng các bộ lọc thông thấp có độ dốc giới hạn phía sau bộ biến
đổi D/A.

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế tín hiệu OFDM.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 14

1.3.3 Mô hình hệ thống OFDM.

1.3.4 Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial.

Hình 1.5 Đồ thị biểu diễn sự phân chia luồng dữ liệu.
(a) Đồ thị biểu diễn luồng dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống đơn sóng
mang.
(b) Đồ thị biểu diễn sự chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao trong hệ thống
OFDM với Δf = 1/3T
B.
Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễu trắng
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 15

AWGN (không có fading) là:
C
max
= B. log
2
( 1 +
S
N
) [bps] (1.7)
B là băng thông của kênh truyền [Hz].
S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền.
Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ
luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng
cách sử dụng bộ Serial/Parallel (nối tiếp sang song song).
Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k x b bit k <=
N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N số sóng mang. k, N sẽ được chọn sao
cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ
hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng
cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền từ frequency selective fading thành
kênh truyền flat fading.
Ngược lại với phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng
dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.
1.3.5 Điều chế sóng mang con:


Hình 1.6 Mô hình biểu thị quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bit phụ
thuộc vào số bit trong một symbol.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 16

Mỗi một symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục
đích là để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một
trong M=2b trạng thái hay một vị trí trong constellation (giản đồ chòm sao).
BPSK sử dụng 1 symbol có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha
0
0
hoặc
0
180
, tốc độ Baud hay tốc độ symbol sẽ bằng tốc độ bit
symbol
R Rb
=

QPSK sử dụng 1 symbol 2 bit (Dibit)
/ 2
symbol
R Rb
=

Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả
băng thông:
(1.8)
tăng lên. Tuy nhiên sai số BER cũng tăng lên.
Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường
truyền không nhiễu C=2B
2
log
M
trong đó B là băng thông của kênh truyền .Do đó
ta không thể tăng M lên tùy ý được,công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất,
số bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol.
Một số phương thức điều chế thường dùng trong bộ mapping:
* M-PSK (Phase Shift Keying)
* M-DPSK (Differential Phase Shift Keying)
* M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)
1.3.6 Bộ IFFT và FFT
Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín
hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực
giao một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier
Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM. Nhờ sử
dụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở
phía phát và phía thu. Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo
ra một tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực
giao hoàn hảo, điều này không hề đơn giản chút nào.
Biến đổi DFT phức có thể được xem như là cách xác định biên độ và pha
efficiency
log [ / ]
b
m
T
R
R M b pbs Hz
B
= = =
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 17

của những thành phần sóng sin và cosin cấu thành nên tín hiệu phân tích.
X[k] =
1
0
1
[ ]. os 2 sin 2
N
n
kn kn
x n c j
N N N
p p
=
=
æ ö
æ ö æ ö
-
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å
(1.9)
Trong đó mảng X[k] chứa N giá trị biên độ của các thành phần tần số, mảng
x[n] chứa N mẫu của tín hiệu miền thời gian.
kn/N biểu thị tần số của sóng sin/cosin ứng với kÎ[0,N-1], n thay đổi giữa 0 và tổng
số mẫu miền thời gian. Thông số k định nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh
xảy ra qua N điểm tín hiệu miền thời gian được lưu trữ trong mảng x[n]. Thông số n
biểu thị cho số mẫu miền thời gian thu được.
Điều cuối cùng cần chú ý đối với DFT là khoảng cách tần số giữa mỗi mẫu
trong miền tần số (thường gọi là độ phân giải - the resolution) phụ thuộc vào tần số
lấy mẫu f
s
và chiều dài N của bộ biến đổi FFT:
(1.10)
v Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT:
Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành
phần sóng sin có khoảng cách đều nhau trong khoảng tần số.
Ngược lại phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT sẽ tổng hợp tất cả các sóng sin và
cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miền thời gian:

(1.11)
(1.12)
Thay (1.11) vào (1.10):

( )
1
0
[ ] Re X[ ] Im [ ] . os 2 sin 2
N
k
kn kn
x n k j X k c j
N N
p p
-
=
æ ö
æ ö æ ö
= + +
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 18


1
0
= Re [ ]. os 2 Re [ ].sin 2
N
k
kn kn
X k c j X k
N N
p p
-
=
æ ö
æ ö æ ö
+
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å


1
0
Im [ ]. os 2 Im [ ].sin 2
N
k
kn kn
j X k c X k
N N
p p
-
=
æ ö
æ ö æ ö
+ -
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å

1
0
= Re [ ]. os 2 Im [ ].sin 2
N
k
kn kn
X k c X k
N N
p p
-
=
æ ö
æ ö æ ö
-
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å


1
0
. Im X[ ]. os 2 Re [ ].sin 2
N
k
kn kn
j k c X k
N N
p p
-
=
æ ö
æ ö æ ö
+ +
ç ÷ ç ÷
ç ÷
è ø è ø
è ø
å
(1.13)
Trong công thức trên nếu thay Re{X[k]}+ jIm{X[k]} bằng X[k] và đem ra
ngoài phép tính thì ta sẽ rút ra được kết luận sau:
* Mỗi giá trị của phần thực trong miền tần số góp 1 phần để tạo ra tín hiệu
miền thời gian: phần thực là sóng cos, phần ảo là sóng sin.
* Mỗi giá trị của phần ảo trong miền tần số cũng góp một phần vào tín hiệu
miền thời gian: phần thực là sóng sin, phần ảo là sóng cos.
Nói cách khác, mỗi giá trị miền tần số đều tạo ra cả tín hiệu sin thực và tín
hiệu sin ảo trong miền thời gian.
Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại được tín hiệu phát.
v Phép biến đổi Fourier nhanh
Việc tính toán DFT một cách trực tiếp trong trường hợp N lớn sẽ tiêu tốn rất
nhiều thời gian. Thời gian tính toán cần thiết tăng theo N
2
. Tuy nhiên nếu ta sử
dụng số sóng mang N là lũy thừa của 2 thì có cách tính hiệu quả hơn nhiều là FFT.
1.3.7 Chèn khoảng bảo vệ
Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là T
S
. Chuỗi bảo vệ là một chuỗi
tín hiệu có độ dài là T
G
ở phía sau sao chép lên phần phía trước của tín hiệu này. Sự
sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đường.
Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Giả thiết máy phát phát đi 1 khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là T
S
. Sau khi chèn
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 19

chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T=T
S
+ T
G
.Do hiệu ứng đa đường tín hiệu
này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau. Để
đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, hình 1.7 chỉ mô tả tín hiệu thu được từ
hai tuyến truyền dẫn, trong đó một tuyến truyền dẫn không có trễ, tuyến còn lại trễ so
với tuyến đầu tiên là t
max
. Ở tuyến đầu tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không
chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k. Điều này là do ta giả sử rằng tuyến đầu tiên không
có trễ truyền dẫn. Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín
hiệu thứ k một khoảng là t
max
do trễ truyền dẫn. Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị
dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là t
max
. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ
là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các
phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống
OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này. Trong trường hợp
T
G
 ³ t
max
như mô tả ở hình 1.7 , thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm
trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích có độ dài T
S
không bị
chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi
gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM
không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là: T
G
 ³ t
max


Hình 1.7 Mô hình biễu diễn tín hiệu khi thực hiện chèn chuỗi bảo vệ
nhằm chống nhiễu ISI.
Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang
phụ, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ ước lượng kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở
phía máy thu. Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 20

của hệ thống bị giảm đi một hệ số là : η=
S
S G
T
T T
+


Hình 1.8 Mô hình biểu diễn tín hiệu khi có trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ
thì không gây ra ISI và ICI.

Hình 1.9 Mô hình biểu diễn việc chèn khoảng bảo vệ cho ký tự OFDM
khi truyền qua kênh truyền multipath.
(a) Mô hình ký tự OFDM với kênh truyền multipath không có kho
ảng bảo vệ.
(b) Mô hình ký tự OFDM với kênh truyền multipath khi có khoảng bảo vệ.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 21


Hình 1.10 Mô hình các kí tự OFDM thu được sau khi truyền qua kênh
truyền multipath.
(a) Các ký tự OFDM thu được khi không chèn khoảng bảo vệ.
(b) Các ký tự OFDM thu được khi chèn khoảng bảo vệ.
Hình 1.9 minh họa khái niệm chèn khoảng thời gian bảo vệ trong hệ thống
OFDM và hình 1.10 minh họa ý tưởng dùng khoảng bảo vệ để loại bỏ khoảng ISI
giữa những ký tự OFDM, ở hình 1.10 (a) thì ký tự OFDM thu được bị can nhiễu bởi
ký tự OFDM trước nó, ở hình 1.10 (b) thì ký tự OFDM thu được không còn bị ảnh
hưởng của ký tự OFDM trước đó.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, máy thu bỏ qua tất cả các tín hiệu, như vậy có
nghĩa là khoảng bảo vệ là khoảng vô ích, nó không mang dữ liệu có ích. Lựa chọn
khoảng bảo vệ liên quan đến thời gian trễ của echo, đồng thời cũng liên quan mật
thiết đến số lượng sóng mang. Trong thực tế khoảng thời gian bảo vệ được tạo ra
bằng cách lặp lại một tỷ lệ của dòng bit tích cực trong chu kỳ trước đó, khoảng bảo
vệ được chọn dựa vào khoảng thời gian tích cực của symbol, có thể là 1/4, 1/8,
1/16, 1/32 thời gian symbol tích cực.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 22

1.3.8 Bộ biến đổi D/A và A/D
Chuỗi symbol rời rạc s[n] sau khi được chèn khoảng bảo vệ D G, sẽ được đưa
vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp (low pass filter) tạo ra
tín hiệu liên tục s(t) để có thể đưa ra kênh truyền vô tuyến.
Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu
OFDM thu được s'(t), lượng tử và mã hóa cho ra tín hiệu số rời rạc, sau đó tín hiệu rời
rạc này sẽ đi qua bộ Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ.
1.3.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
1.3.9.1 Ưu điểm
- OFDM là giải pháp phân tập tần số. OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến
hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này
- OFDM đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao do tính trực giao của các
thành phần sóng mang con.
- OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường
di động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì chu kỳ tín hiệu tăng cho nên dung
sai trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM.
- OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh fading
chọn lọc tần số chuyển thành kênh fading phẳng. Vì vậy OFDM là giải pháp đối với
tính chọn lọc tần số của kênh fading. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng
kênh dễ dàng.
- Do trải rộng fading tần số trên nhiều ký hiệu , nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi
cụm (do fading Rayleigh gây ra) , nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn
toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.
- Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu
số và công nghệ vi mạch VLSI.
1.3.9.2 Nhược điểm
OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc 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
Chương 1 Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

Trang 23

khiến cho PAPR lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch
đại cống suất lớn HPA (high-power amplifier).
Một nhược 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. Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác.
1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber
Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ
đường truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật
điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ
truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung
cấp dịch vụ internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi
ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt
đất DVB- T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như
DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các
mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ
được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam.
1.4 Kết luận chương
Như vậy, nội dung của chương đã phân tích tổng quan về hệ thống 4G sử
dụng công nghệ OFDM. Nhìn một cách tổng quát, công nghệ OFDM mang trong
nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một phương pháp kỹ thuật được áp dụng rộng
rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai. Bên cạnh đó, việc nghiên
cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường truyền dẫn tín hiệu cũng rất quan trọng
trong một hệ thống mạng viễn thông. Các yếu tố này gây nên các hiện tượng đa
đường, các nhiễu liên ký tự…Trong chương sau sẽ đề cập đến các đặc tính truyền
dẫn tín hiệu cùng với việc ước lượng kênh truyền.

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×