Tài liệu KỸ THUẬT OFDM pptx

LỜI NÓI ĐẦUCông nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập Internet băng

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứng dụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác

WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nối nhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệu như phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúp mang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa

Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và các thiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụng của công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao và phong phú của khách hàng

Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽ giúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thống mạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trải nghiệm di động luôn được kết nối

Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ

sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX

(OFDM-MỤC LỤC

Chương I GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Lịch sử phát triển

OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả

sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ

bị bỏ qua, không sử dụng) Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang rriêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫJn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa

đa đường Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang,chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỹ 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 các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư 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

lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, 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 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.

1.2 Ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM

1.2.1 Ưu điểm

+ Tăng hiệu quả sử dụng băng thông

+ Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng

+ Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

+ Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT

+ Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao

+ Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

1.2.2 Nhược điểm

+ Nhạy với offset tần số

+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ

Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler

+ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được

+ Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI

+ Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio)

là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0 Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn

+ Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol Với một kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet có thể bằng khoảng bảo

+ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

1.3 Các cột mốt và ứng dụng của kĩ thuật OFDM

1957: Kineplex, multi-carrier HF modem

1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM

1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting

1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên

1997: Chuẩn ETSI DVB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN

1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN 2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM) 2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16

2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN

2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)

2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN

(WiMAX)

Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)

1.4 Ứng dụng của kĩ 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.

1.5 Hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuậtOFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên 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 hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra 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 phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong tương lai

Chương II Ước Lượng Kênh truyền trong hệ thống OFDM2.1 Giới thiệu

Kỹ thuật điều chế có thể được phân làm hai loại là điều chế vi sai (differential) và điều chế kết hợp (coherent) Khi dùng kỹ thuật điều chế vi sai thì không cần phải ước lượng kênh truyền vì khi đó thông tin đã được mã hóa sao cho có sự sai biệt nhau giữa hai ký tự liên tiếp nhau Đây là một kỹ thuật được dùng phổ biến trong hệ thống thông tin vô tuyến vì khi không yêu cầu phải ước lượng kênh truyền thì độ phức tạp ở phía thu sẽ giảm đi Điều chế vi sai được dùng trong chuẩn DAB (Digital Audio Broadcast) của Châu Âu Điều gây trở ngại khi dùng kỹ thuật điều chế này là nó sẽ làm gia tăng nhiễu thêm 3dB và ta cũng không thể sử dụng những kỹ thuật điều chế chòm sao đa biên độ một cách hiệu quả được (efficient multiamplitude constellations) Một trong số các kỹ thuật DPSK được quan tâm là điều chế khóa dịch pha biên độ vi sai (differential amplitude phase shift keying), khi đó ta sẽ có được hiệu quả phổ tốt hơn DPSK nếu sử dụng tốt mã hóa biên độ vi sai Hiển nhiên điều này yêu cầu sự phân phối biên độ không đồng đều (non uniform amplitude distribution) Tuy nhiên trong hệ thống thông tin có dây thì kênh truyền sẽ không thay đổi theo thời gian nên kỹ thuật điều chế kết hợp là sự lựa chọn hiển nhiên Nhưng trong hệ thống không dây, hiệu quả của kỹ thuật điều chế kết hợp giúp nó trở thành sự lưu chọn lý tưởng khi hệ thống yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) cao như trong hệ thống DVB

Ước lượng kênh truyền trong hệ thống có dây thì không phức tạp, kênh truyền được ước lượng ngay tại thời điểm bắt đầu và kể từ thời gian đó kênh truyền là như nhau, do vậy không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn này chỉ đề cập ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM vô tuyến Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ước lượng kênh truyền cho hệ thống

vô tuyến Vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa pilot thông tin sẽ được truyền như thế nào Ký tự pilot cùng với ký tự dữ liệu có thể được truyền trong một số cách khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau Vấn đề thứ hai là việc thiết kế

bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức tạp thấp và hiệu suất tốt Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất của bộ nội suy phụ thuộc vào việc Pilot thông tin được truyền đi như thế nào

2.2 Tính trực giao trong OFDM

Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được đặt 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 thong thường Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khác nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này 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 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 các 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 τ), 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/τ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-Carrierinterference) cũng làm mất đi tính trực giao

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 định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau hay là tích của 2 vectơ là bằng 0 Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0

Hình 2.1 : Tích 2 vectơ trực giao bằng 0Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá 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 chúng ta sẽ có kết quả là 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:

Quá trình tính tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích bên dưới đường cong tín hiệu Do đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau :

Hình 2.2 : Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau.Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.3 : Tích phân các sóng sin có 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 nó luôn khác không (hình trên) Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được sang miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT) Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số (digital domain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác Sau đó phép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao.

2.3 Ước lượng kênh truyền

Tổng quan một hệ thống OFDM được trình bày ở hình 2.1 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, Mary-QAM Tín hiệu dẫn đường (Pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số/tương tự trước khi truyền trên kênh truyền vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN Tín hiệu dẫn đường pilot là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua pilot nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia

làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là pilot được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Hình 2.4 Tổng quan một hệ thống OFDM

2.4 Các kĩ thuật điều chế trong ước lương kênh truyền

2.4.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation)

Ước lượng kênh truyền thông thường cần một số loại pilot thông tin như một điểm tham khảo Ước lượng kênh truyền thường đạt được bằng cách ghép những ký tự

đã biết, được gọi là ký tự pilot vào trong chuỗi dữ liệu, và kỹ thuật này được gọi là điều chế thêm vào ký tự pilot (Pilot Symbol Assisted Modulation - PSAM) Phương pháp này tiến hành chèn những phần đã biết vào luồng ký tự thông tin có ích với mục đích thăm dò kênh truyền Những ký tự pilot này cho phép bộ thu rút ra được suy hao của kênh truyền và độ xoay pha để ước lượng cho mỗi ký tự thu được, giúp cho việc

bù fading đường bao và pha Một kênh truyền fading yêu cầu việc bám (tracking) kênh truyền không ngừng, vì vậy mà pilot thông tin ít nhiều gì cũng phải được truyền liên tục Pilot thông tin được truyền có thể ở dạng pilot rời rạc hoặc phân tán hoặc cả hai Nhìn chung thì kênh truyền fading có thể được xem như là một tín hiệu 2-D (thời gian và tần số), kênh truyền fading này được lấy mẫu tại những vị trí có pilot và suy hao kênh truyền ở những vị trí nằm giữa những pilot này được ước lượng bằng nội suy