TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU ĐA ĐƯỜNG (CÓ HIỆU ỨNG DOPPLER) VÀ KÊNH NHIỄU GAUSS Sinh viên.
Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Vì khoảng thời gian symbol tăng lên làm cho các sóng mang con song song có tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giả xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Hình 1.1Sơ đồ khối của hệ thống
Truyền dẫn đa sóng mang (Multi - Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đặc tuyến kênh truyền sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích.
Hình 1.2Cấu trúc của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang
Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi chuyển tiếp FEC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự, Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng:
∑ k=0 a l,k e j2π k[t−lT s (N+L)] (1.1) trong đó: a l,k : là dữ liệu đầu vào được diều chế sóng mang nhánh thứk trong symbol OFDM thứl N: Số sóng mang nhánh L: chiều dài tiền tố lặp (CP)
Khoảng cách sóng mang nhánh là T 1 = NT 1 s
Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Gaurd Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm
1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
Sự trực giao
Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần sốsinc( sinx x ) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định(TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ T 1
FFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần sốsinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
Hình 1.4Phổ của các tín hiệu trực giao
Mô hình toán học của hệ thống OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:
Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu T 1 (vớiT là chu kì lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:
An.e j[(ω 0 +n.∆ω).kT+φ n ], (1.4) Ở thời điểm này, khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu Ta có mối quan hệ τ =N.T (1.5)
So sánh (1.6) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có: g(kT) = 1
NT).e j 2 π N kn , (1.7) Biểu thức (1.6) và (1.7) là tương đương nếu:
Dựa vào tính trực giao, phổ của các tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của các sóng mang phụ được thể hiện như sau: phổ của tín hiệu sóng mang phụ thứ pđược dịch vào một kênh con thứqthông qua phép nhân với hàm phứce j pω s t trong đóωs=2πfs=2π T 1 s là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau Tính trực giao của hai sóng mang phụ pvàqđược kiểm chứng như sau:
0, p̸=q (1.9) Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và qtrực giao với nhau do tích phân của một sóng mang với liên hợp phưc của sóng mang còn lại bằng0nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó cho kết quả là hằng số Sự trực giao này cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu.
Kỹ thuật điều chế trong OFDM
Mã gray
Giản đồ IQ(Inphase Quadrature)cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm canh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn.
Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK,16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM )
Hình 1.5Giản đồ IQ của 16 - PSK khi sử dụng mã Gray
Hình 1.6Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM
Điều chế chế QPSK
a) Mô hình toán: Luồng số được truyền đi trong điều chế QPSK ở dạng các trạng thái pha của sóng mang Khi này điều chế QPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu hai chiều (N =2)gồm4điểm bản tin(M=4) b) Biểu thức tín hiệu điều chế: Đây là một trong số những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức trong sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
(1.10) vớiθ là pha ban đầu cho bằng0 θ(t) = (2i−1).π
Trong đó, i=1,2,3,4tương ứng là các ký tụ được phát đi là”00”; ”01”; ”11”; ”10”
Tsym =2T b (Tb: Thời gian của 1 bit,Tsym: Thời gian 1 ký tự)
E: Năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
(1.12) c) Các hàm cơ sở trực chuẩn
Chọn hàm năng lượng trực chuẩn như sau: φ 1 (t) =− r2
Vậy bốn bản tin tương ứng với các vecto được xác định như sau: s i "√
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian được cho bởi bảng sau:
Cặp bit vào Pha của tín hiệu
Tọa độ các điểm bản tin Φ 1 Φ 2
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Hình 1.7Biểu đồ tín hiệu của QPSK
Xem bảng ta thấy, mức logic ′ 1 ′ thay đổi vào−√
E , còn logic ′ 0 ′ thì biến đổi vào
√E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
Các đặc tính của OFDM
Ưu điểm
Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có những ưu điểm cơ bản sau đây:
• OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con.
• Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI)và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nếu có độ dài chuỗi bảo(gaurd interval length)lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selective) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
• Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
• Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
Nhược điểm
Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản đó là:
• Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu Cho đến nay, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này.
• Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích.
• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần(frequency offset )và dịch thời gian(time offset)do sai số đồng bộ.
Các hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM được đề cửu 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 thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu(MIMO - OFDM) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập 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 dịc 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.
CÁC ĐĂC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 12
Các mô hình kênh cơ bản
Ở các mục dưới đây sẽ xem xét hai loại mô hình kênh cơ bản, đó là mô hình kênh theo phân bố Rayleigh và phân bố Rice.
2.1.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Hàm truyền đạt của kênh thực chất là quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nên các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thỏa mãn:
• Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội.
• Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau.
Phân bố Rayleigh của biên độ hàm truyền đạt được đưa ra ở phương trình 2.17: f |y| (t) ( r σ R 2 e
Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với các tuyến khác Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice f |y| (t) ( r σ R 2 e − r 2 + χ 2 2σ 2
(2.18) trong đó χ: tham số lệch tâm(Non-centrality parameter)
I 0 (.): Hàm Bessel sửa đổi bậc0loại1
Đặc tính kênh truyền vô tuyến của hệ thống OFDM
Mô hình kênh tuyến tính:
Hình 2.2Mô hình kênh tuyến tính
Kênh truyền dẫn tuyến tính, mối quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh: y(t) =x(t)∗h(τ) Z a b x(t−τ).h(τ)dτ (2.19) trong đó x(t) là một hàm xác định nào đó và là tín hiệu phát,y(t)là tín hiệu thu, h(τ)đáp ứng xung của kênh. Ở miền tần số, quan hệ trên được biểu diễn bởi phương trình sau:
2.2.1 Hiệu ứng đa đường a) Rayleigh fading:
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm.Hình 2.3 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.
Hình 2.3Tín hiệu đa đường
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn.
Hình 2.4Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 10Hz)
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
Bảng 2.1Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh
Mức tín hiệu (dB) Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)
-30 0.05 b) Fading lựa chọn tần số:
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :
• Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
• Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC. c) Trải trễ (Delay spread):
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA.
Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau.Trải trễ lớn nhất ở mụi trường bờn ngoài xấp xỉ là 20às, do đú nhiễu liờn kớ tự cú thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps
Bảng 2.2Các giá trị trải trễn thông dụng
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu
Bờn ngoài 1às - 20às 30 m - 6 km
Hình 2.5Hàm truyền đạt của kênh
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Nếuθk =0thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: f D,max = v c.f 0 , (2.22)
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Phổ của tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 2.6
Hình 2.6Mật độ phổ của tín hiệu thu
Mật độ phổ của tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974 Trong nhiều tài liệu phổ của tín hiệu này được mang tên ông và được gọi là phổ Jake(Jake spectrum) Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f 0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là f D,max
Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ hệ thống.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.
2.2.3 Nhiễu AWGN a) Khái niệm về nhiễu trắng: Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô(intercellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-ModulationDistortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác 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 biên độ 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 tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, 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.
Hình 2.7Môi trường truyền dẫn với sự có mặt của nhiễu trắng
Khoảng bảo vệ
Hình 2.10Chèn khoảng bảo vệ (GI) trong hệ thống OFDM thực tế
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường(multipath delay spread) Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lênNs lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận Khoảng thời gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực giao nữa.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó. Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA. Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn
Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền lan nhiều đường.
Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Symbol của OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu kỳ Việc đưa vào các bản sao của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn.
ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH 22
Ước lượng kênh
Hình 3.1 Ước lượng kênh Ước lượng kênh là phương pháp dùng để xác định tín hiệuh(t)bằng cách phát đi tín hiệu đã biết (tín hiệu dẫn đường - Pilot - hoa tiêu)
3.1.1 Ước lượng trực tiếp miền thời gian (Phương pháp giải chập)
Ta có: y p (t) =x p (t)∗h(t) (3.28) trong đóx p (t)là tín hiệu phát,y p (t)là tín hiệu thu.
Từ đó ta sẽ tìm đượch(t), còn được gọi là giải chập trong miền thời gian (có nghĩa là ta chia đa thức cho đa thức).
3.1.2 Ước lượng kênh trong miền tần số - LS (Least Square)
Dựa vào tính chất của biến đổi Fourier ta có:
Lưu ý: Phép chia chỉ thực hiện được trong trường hợp không có nhiễu.
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 28
Sơ đồ hệ thống OFDM trong thực tế
Dưới đây 4.1 là sơ đồ khối hệ thống OFDM triển khai thực tế:
Hình 4.1Sơ đồ hẹ thống OFDM thực tế
Mô hình toán học: Luồng số được truyền đi trong điều chế QPSK ở dạng các trạng thái pha của sóng mang Khi này điều chế QPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu hai chiều (N = 2) gồm 4 điểm bản tin (M = 4) Đây 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa 2 bit thành 1 symbols.
Hình 4.2Biểu đồ tín hiệu phân bố QPSK
Hình 4.2 thể hiện sự phân bố các chòm sao tín hiệu QPSK, có thể thấy các chòm sao các đều nhau, lệch pha nhau 90
Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bit nối tiếp đầu vào thành các luồng bit song song Các luồng bit song song phụ thuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu một cách hợp lí.
Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bit song song thanh luồng nối tiếp
Khối Chèn Pilot có chức năng dẫn đường có chức năng đồng bộ, ước lượng kênh cho quá trình giải điều chế.
Hình 4.5Mô hình phân bố tín hiệu
Khối FFT, IFFT là giải thuật hữu hiệu để giải quyết vấn đề kĩ thuật đa sóng mang gặp nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết lập các sóng mang khác nhau để phát đi Ở bên phát dữ liệu được đưa vào khối IFFT được triển khai theo công thức sau: x(n) = 1
X(k)×e j× 2π N ×kn (4.42) Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần số tương ứng. x(k) = 1
4.1.5 Khối chèn CP và tách khoảng bảo vệ CP
Giả sử hệ thống OFDM có N sóng mang con, khi đó tín hiệu OFDM tương ứng là:
Như vậy ta sẽ lấy phần hậu tố của tín hiệu OFDM nối lên đầu làm tiền tố của tín hiệu
Nhờ có việc thêm tiền tố cho tín hiệu OFDM mà ta có thể tránh được một số nhiễu ISI, ICI như 4.6 dưới đây.
Hình 4.6Mô tả chuỗi bảo vệ Cyclic Prefix [2]
Khối này có chức năng ước lượng kênh truyền nhằm phục vụ cho quá trình giải điều chế.
Hình 4.7Sơ đồ tín hiệu ở các miền thời gian của hệ thống OFDM
Tín hiệu x(k) qua kênh và nhiễu thu được y(k) được biểu diễn như sau: y(k) =x(k)(∗)h(k) +n(k) (4.46) Vớih(k)là hệ số fading,n(k)là nhiễunhiễu Tương ứng với nó là trên miền tần số:
Ta coi N = 0 thì có thể ước lượng được đáp ứng tần số:
Từ đáp ứng tần số thu được ta có thể dễ dàng giải điều chế được tín hiệu thu được.
Các tín hiệu thu được sau khối FFT được ký hiệu là Y, rồi tính các khoảng cách của tín hiệu thu được với 4 chòm sao QPSK, chòm sao nào gần tín hiệu thu được hơn sẽ là tín hiệu bên phát truyền đi Phương trình toán học được mô tả như sau:
DIST =|Y−H×QPSK_SYM| (4.49) trong đó DIST là khoảng cách giữa tín hiệu thu được và chòm sao lý tưởng
H là đáp ứng tần số thu được khi ước lượng
Y là tín hiệu thu được sau khốiFFT
QPSK_SY M là các tín hiệu mẫu biểu thị chòm sao lý tưởng [1+j ; 1-j ; -1+j ; -1-j]
Sau đó sẽ ánh xạ các chòm sao thu được ra các bits, ta thu được chuỗi bits truyền đi bên phát.
Kế hoạch kiểm thử
Thiết kế các thông số chung
Băng tần hệ thống: BW = 20 Mhz
Số sóng mang con: Number FFT/IFFT = 128
128 6250(Hz) (4.50) Chu kì của FFT/IFFT (độ rộng ký tự OFDM):
Thời gian chuỗi bảo vệ:
Chu kì của tín hiệu:
Tsig=TFFT +TGI =8(às) (4.53) Number CP:
NumberCP=round(NumberFFT/IFFT×T GI
Chọn số Block = 101, tần số Doppler max: fD (Hz)
Kết quả và đánh giá
Như ta có thể thấy Hình 4.8 biểu thị giá trị BER theo SNR(dB), giá trị BER giảm dần từ 0.4 xuống tới gần giá trị 0 tại SNR = 24(dB) đối với tần số doppler maxHz. Đây là kết quả kết quả thu được tại tần số doppler max là 91Hz, 95Hz, 100Hz như đồ thị dưới đây
Hình 4.8Giá trị BER thay đổi theo SNR(dB) ứng với từng giá trị của fd
Mục tiêu của bài tập lớn là sử dụng công cụ mô phỏng MATLAB để có thể hiểu thêm vê hệ thống OFDM và các vấn đề của kênh truyền vô tuyến.
Báo cáo này đã trình bày và triển khai kiến trúc của hệ thống OFDM áp dụng truyền tải dữ liệu data Để làm điều đó, bài tập lớn trình bày những khái niệm chính về OFDM,các vấn đề cảu kênh vô tuyến trong đó chú ý đến kênh truyền đa đường (có hiệu ứng Doppler) và kênh nhiễu Gauss Thiết kế được tiến hành triển khai bằng ngôn ngữ mô tả Matlab và mô phỏng kiểm thử trên phần mềm Matlab 2018b Cho ra kết quả hoạt động đúng với yêu cầu vào ra Trong tương lai nhóm sẽ tiến hành hoàn thiện và triển khai hệ thống với đầy đủ các phương pháp làm tăng hiệu suất, độ tin cậy, thực hiện them nhiều giải pháp về đồng bộ và đáp ứng thời gian thực, tối ưu hơn nữa về băng thông
Cuối cùng, sau một thời gian học tập và nghiên cứu tài liệu, đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn Tuy nhiên, với những hạn chế về kiến thức, thời gian và kỹ năng, bài tập lớn vẫn còn rất nhiều sai sót, mong quý thầy cô và các độc giả góp ý để nhóm hoàn thiện thêm kiến thức và kĩ năng Một lần nữa xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài này Xin chân thành cảm ơn thầy!
[1] Bài giảng "Thông tin di động", PGS.TS Nguyễn Văn Đức - PGS.TS Trần Quang Vinh.
[2] Cheng Xiang-Wang - Nguyễn Văn Đức, Các bài tập Matlab về thông tin vô tuyến, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Nguyễn Văn Đức, Thông tin vô tuyến, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và các ứng dụng kĩ thuật của OFDM, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5] Báo cáo bài tập lớp môn thông tin vô tuyến với đề tài: "Cân bằng kênh bằng phương pháp ZF và MMSE" của Đào Bá Duy và Nguyễn Thanh Tuyền trình bày.
Channel.m function [RX] = Channel(TX,num_FFT,num_Block,tap,SNR)
N2; for n = 1:1:N1 c1(n)=sqrt(2*b/N1); f1(n)=f_m*sin(pi*(n-0.5)/(2*N1)); th1(n)=2*pi*n/(N1+1); end for n = 1:1:N2 c2(n)=sqrt(2*b/N2); f2(n)=f_m*sin(pi*(n-0.5)/(2*N2)); th2(n)=2*pi*n/(N2+1); end
%Tinh bien do kenh va ham alpha
T_sim=0.08; t=0:1/f_s:T_sim; g1=g_function(c1,f1,th1,t); g2=g_function(c2,f2,th2,t); h=g1+1i*g2;
FREQ_RESP = fft(h); h1 = ifft(FREQ_RESP,tap);
%% - for row = 1:num_Block x = TX(row,:); y = conv(x,h1); y = awgn(y,SNR,'measured');
RX(row,:) = y; end end function y=g_function(c,f,th,t) y=zeros(size(t)); for n=1:length(f) y=y+c(n)*cos(2*pi*f(n).*t+th(n)); end
Transmitter.m function TX = Transmitter(data, num_FFT, num_Block, num_CP)
T_QPSK = (1-2*data(1:2:end))+1i*(1-2*data(2:2:end));
%% S/P for row=1:num_Block if row == 1 block(1,:)=Pilot(num_FFT); else block(row,:)=T_QPSK((row-2)*num_FFT+1:(row-1)*num_FFT); end
%% IFFT block_FFT(row,:) = ifft(block(row,:));
TX(row,:) = [block_FFT(row,end-num_CP+1:end) block_FFT(row,:)]; End
Receiver.m function [data_rx] = Receiver(RX,num_FFT,num_CP,num_Block)
%% Moving Cycic prefix for row=1:num_Block z = RX(row,:); z = z(num_CP+1:num_CP+num_FFT);
QPSK_SYM1 = QPSK_SYM(1)*ones(1,num_FFT);
QPSK_SYM2 = QPSK_SYM(2)*ones(1,num_FFT);
QPSK_SYM3 = QPSK_SYM(3)*ones(1,num_FFT);
QPSK_SYM4 = QPSK_SYM(4)*ones(1,num_FFT); for row = 2:num_Block yt = R_noCP(row,:);
DIST(1,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM1).^2;
DIST(2,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM2).^2; DIST(3,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM3).^2; DIST(4,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM4).^2;
% Demapping Index to QPSK symbol rec_QPSK = QPSK_SYM(Index);
% Demapping QPSK symbol to bits rec_bit = zeros(1,2*num_FFT); rec_bit(1:2:end) = real(rec_QPSK)