Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG
-
-Báo cáo Truyền Thông Không Dây
Đề tài: Mô phỏng hệ thống OFDM qua kênh AWGN
Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Lê Khoa Sinh viên thực hiện:
19200506 Trương Minh Duy Thịnh
19200510 Phạm Thị Minh Thư
19200327 Lê Thị Thanh Hương
19200398 Nguyễn Thị Bích Ngọc
19200399 Nguyễn Xuân Bảo Ngọc
Ngày 16 tháng 10 năm 2022
Trang 2Mục lục
Lời mở đầu 3
I Tổng quan về OFDM 4
1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: 4
2 Sự trực giao trong OFDM: 6
II Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM: 7
1 Khoảng bảo vệ: 7
2 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix): 8
3 Kênh nhiễu cộng AWGN: 9
III Code Matlab: 9
IV Kết quả: 11
V Giải thích: 14
VI Ưu điểm, nhược điểm: 14
VII Ứng dụng: 15
VIII Hướng phát triển: 15
Trang 3Lời mở đầu
K thu tỹ ậ OFDM l n u tiên ầ đầ được gi i thi u trong bài báo c a R W Changớ ệ ủ
n m 1966 v v nă ề ấ đề t ng h p các tín hi u có d i t n h n ch khi th c hi n truy n tínổ ợ ệ ả ầ ạ ế ự ệ ề
hi u qua nhi u kênh con.ệ ề Cho t i g n ây, k thu t OFDM m i ớ ầ đ ỹ ậ ớ được quan t m nh có nh ng ti n bầ ờ ữ ế ộ
vượ ật b c trong l nh v c x lý tín hi u và vi i n t ĩ ự ử ệ đ ệ ử Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp
Trang 4I Tổng quan về OFDM
1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM:
OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý
Vì khoảng thời gian synbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên kỷ 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
Trang 5OFDM tạo ra lưới theo thời gian và tần số Mỗi hình chữ nhật là một kênh độc lập và có thể cấp cho những người sử dụng khác nhau
Kỹ thuật sóng mang chồng phổ có thể tiết kiệm lượng lớn băng thông Tuy nhiên, cần triệt xuyên nhiều giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau
Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế
Trang 6
2 Sự trực giao trong OFDM:
Trong OFDM, có thể sắp xếp các sóng mang 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
Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/t Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả bằng việc xử băng tần gốc
Trang 7II Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM:
1 Khoảng bảo vệ:
Được chèn giữa các symbols OFDM liên tiếp
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử 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
Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
Giảm hiệu quả băng thông Một phần tín hiệu được copy và chèn vào phần đầu
Một mẫu OFDM có chiều dài là Ts Chuỗi bảo vệ có chiều dài là TG Sau khi chèn chuỗi bảo vệ thì chu kỳ của tín hiệu bây giờ là Ts + TG
Trang 82 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix):
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu
kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát
đi một ký tự)
Ta có Ts = Tg + TFFT
Ký tự OFDM lúc này có dạng :
Typeequationhere Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín Chương 2 : Kỹ thuật OFDM - 21 - hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect) -tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp
và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ
Trang 93 Kênh nhiễu cộng AWGN:
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular 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-Modulation Distortion) 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
III Code Matlab:
%May phat OFDM
no_of_data_bits=64; %So bit moi kenh len den 128
M=4; %So kenh song mang con
n=256; %Tong bit duoc truyen cua may phat
block_size=16; %Kich thuoc cua ofdm
cp_len=floor(0.1*block_size);
%Du lieu vao
data=randsrc(1, no_of_data_bits, 0:M-1);
figure(1),stem(data);
grid on ; xlabel( 'Diem du lieu' );
ylabel( 'Bien do' );
title( 'Du lieu goc' );
%Dieu che nguon dau vao voi dieu che BPSK
qpsk_modulated_data=pskmod(data,M);
figure(2), stem(qpsk_modulated_data);
title( 'Dieu che QPSK' );
%4 song mang con
S2P=reshape(qpsk_modulated_data, no_of_data_bits/M,M);
Sub_carrier1=S2P(:,1);
Sub_carrier2=S2P(:,2);
Sub_carrier3=S2P(:,3);
Sub_carrier4=S2P(:,4);
%IFFT cua 4 sonng mang con
number_of_subcarriers=4;
cp_start=block_size-cp_len;
ifft_Subcarrier1=ifft(Sub_carrier1);
ifft_Subcarrier2=ifft(Sub_carrier2);
ifft_Subcarrier3=ifft(Sub_carrier3);
ifft_Subcarrier4=ifft(Sub_carrier4);
for i=1:number_of_subcarriers, ifft_Subcarrier(:,i)=ifft((S2P(:,i)),16) for j=1:cp_len,
cyclic_prefix(j,i)=ifft_Subcarrier(j+cp_start,i) end
Append_prefix(:,i)=vertcat(cyclic_prefix(:,i),ifft_Subcarrier(
Trang 10end
%Tinh truc giao
A1=Append_prefix(:,1);
A2=Append_prefix(:,2);
A3=Append_prefix(:,3);
A4=Append_prefix(:,4);
%Chuyen doi de truyen
[rows_Append_prefix cols_Append_prefix]=size(Append_prefix) len_ofdm_data=rows_Append_prefix*cols_Append_prefix;
%Tin hieu OFDM duoc truyen
ofdm_signal=reshape(Append_prefix,1,len_ofdm_data);
figure(3), plot(real(ofdm_signal));
xlabel( 'Thoi gian' );
ylabel( 'Bien do' );
title( 'Tin hieu OFDM' );
grid on ;
%
%Truyen du lieu qua kenh AWGN
%
channel =randn(1,2)+sqrt(-1)*randn(1,2);
after_channel=filter(channel,1,ofdm_signal);
awgn_noise=awgn(zeros(1,length(after_channel)),0);
recvd_signal=awgn_noise+after_channel;
figure(4), plot(real(ofdm_signal));
xlabel( 'Thoi gian' );
ylabel( 'Bien do' );
title( 'Tin hieu OFDM sau khi qua kenh AWGN' );
grid on ;
%
%May thu
%
recvd_signal_paralleled=reshape(recvd_signal,rows_Append_prefi x,cols_Append_prefix);
recvd_signal_paralleled(1:cp_len,:)=[];
R1=recvd_signal_paralleled(:,1);
R2=recvd_signal_paralleled(:,2);
R3=recvd_signal_paralleled(:,3);
R4=recvd_signal_paralleled(:,4);
%FFT thu duoc
for i=1:number_of_subcarriers, %FFT
fft_data(:,i)=fft(recvd_signal_paralleled(:,i),16);
end
F1=fft_data(:,1);
F2=fft_data(:,2);
F3=fft_data(:,3);
Trang 11figure(5) stem(data) hold on
stem(qpsk_demodulated_data, 'rx' );
grid on ; xlabel( 'Diem du lieu' );
ylabel( 'Bien do' );
title( 'Tin hieu thu duoc khi qua kenh truyen AWGN' );
IV Kết quả:
Trang 14V Giải thích:
- Ở đầu phát: Hệ thống OFDM sẻ phân chia dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao thành
N luồn dữ liệu song song tốc độ thấp (được mang trên các sóng mang con trực giao
về tần số) thông qua bộ biến đổi S/P Tiếp đó tín hiệu được tổng hợp lại và đưa tới
bộ biến đổi IFFT để chuyển đổi tín hiệu thành các mẫu rời rạc thời gian sau đó được chèn thêm khoảng bảo vệ và được truyền đi
- Ở đầu thu: Khoảng bảo vệ được loiaj bỏ Tín hiệu được biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ biến đổi FFT sau đó được loại bỏ pilot
và được sắp xếp lại cuối cùng nhận được chổi dữ liệu ban đầu được truyền đi
VI Ưu điểm, nhược điểm:
- Ưu điểm:
* Tăng hiệu quả sử dụng băng thông, hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đa đường
* Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT
* Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard 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 selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
* Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
- Nhược điểm:
* Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn
ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn Méo
Trang 15* 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
* Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hường của ICI và ISI
* 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 là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ
VII Ứng dụng:
- Phát quảng bá số: Phát thanh số (DAB), Truyền hình số (DVB) …
- Thông tin hữu tuyến: ADSL, HDSL
- Thông tin vô tuyến: WLAN:802.11a/g/n(Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G (LTE)
VIII Hướng phát triển:
- Công nghệ OFDM đang và sẽ được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao và đang phát triển không ngừng vì những ưu điểm của nó Kỹ thuật ước lượng kênh truyền càng trở nên cần thiết trong các máy phát cũng như máy thu
để đảm bảo được chất lượng tín hiệu cũng như tốc độ ngày càng cao Đây là một hướng nghiên cứu trong việc sử dụng công nghệ OFDM
- Kết hợp ước lượng kênh với tính toán đồng bộ tín hiệu giữa bên phát và bên thu được hiệu suất cao hơn nữa, đáp ứng cho truy cập ngày càng cao trong điều kiện thuê bao di chuyển nhanh trong hệ thống thông tin di động 5G hiện nay
- Thực hiện thêm các kỹ thuật ước lượng khác như ước lượng thích nghi (bộ ước lượng Kalman), nội suy …