Tìm hiểu công nghệ OFDM

Một kênh chọn lọc tần số là một kênh trong đó các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau cả về biên độ và mức đ

Khoa: công nghệ điện tử-viễn thông



Tiểu luận Môn học THÔNG TIN Số II

đề tài: đồng bộ trong hệ thống ofdm

Giảng viên : PGS TS Nguyễn Viết Kính học viên : Lê Việt Hà

hoàng văn cường

Lớp : k12-Đ2

Năm học : 2006 - 2007

Hà nội, năm 2006

I Giới thiệu kỹ thuật OFDM 1

I.1 Khái quát về OFDM 1

I.1.1 Định nghĩa 1

I.1.2 Khái niệm trực giao 2

I.2 Ghép kênh OFDM trong mạng vô tuyến 3

I.2.1 Mô hình hệ thống OFDM 4

II Đồng bộ trong OFDM 5

II.1 Đồng bộ ký tự - Symbol synchronization 5

II.1.1 Lỗi định thời – Timing error 5

II.1.2 Nhiễu pha sóng mang 8

II.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu – Sampling Frequency synchronization 8

II.3 Đồng bộ sóng mang – Carrier synchronization 9

II.3.1 lỗi tần số 10

II.3.2 Thực hiện ước lượng tần số 10

II.3.3 Đánh giá lỗi tần số sử dụng thuật toán ước lượng sau DFT 12

II.3.4 Bám pha sóng mang 13

II.3.5.Bám pha sóng mang với dữ liệu trợ giúp 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ove Edfors, Magnus Sandell, Jan-Jaap van de Beek, An introduction to

Orthogonal Frequency Division Multiplexing, September 1996

[3] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM, Nhà XB

KHKT, 6/2006

[4] J.J van de Beek, P Ödling, S.K Wilson, P.O Börjesson, Orthogonal

Frequency-Division Multiplexing (OFDM),Copyright © 2002 by the

International Union of Radio Science (URSI)

[5] OFDM Tutorial, www.wave-report.com

[6] Meik Dörpinghaus, OFDM Receivers for Broadband-Transmission, May 99 [7] John Terry and Juna Heiskala, OFDM Wireless LANs: A Theoretical and

Practical Guide

I Giới thiệu kỹ thuật OFDM

I.1 Khái quát về OFDM

I.1.1 Định nghĩa

OFDM là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing có thể được tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao Kỹ thuật này được R.W Chang phát minh năm 1966 tại Mỹ

OFDM phân chia phổ được cấp thành nhiều băng con hẹp, là những sóng

mang dữ liệu tốc độ thấp Mỗi một sóng mang con-subcarrier có thể được sử dụng

bởi các loại điều chế khác nhau như BPSK, QPSK và QAM

Một trong những vấn đề rất phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao qua một kênh có băng thông rộng là vấn đề chọn lọc tần số của kênh truyền Một kênh chọn lọc tần số là một kênh trong đó các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau (cả về biên độ và mức độ phi tuyến) cho nên tín hiệu phía thu bị méo rất nặng và dẫn đến việc khôi phục tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn Từ đó, người ta mới có ý tưởng là chia một kênh có băng thông rộng thành rất nhiều các kênh nhỏ, trong đó mỗi kênh nhỏ có băng thông rất hẹp và mỗi kênh nhỏ trở thành một kênh phẳng trên miền tần số, tức là các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau, do đó tín hiệu thu sẽ không bị méo Các kênh nhỏ này sẽ truyền thông tin đồng thời và song song với nhau Tuy nhiên, khi thu hẹp các kênh trên miền tần số thì trên miền thời gian, các tín hiệu được truyền đi bởi các kênh nhỏ sẽ bị chồng lấn lên nhau Do đó, các tín hiệu này yêu cầu phải hoàn toàn trực giao với nhau trên miền tần số, vì nếu chúng không trực giao với nhau thì chũng sẽ gây nhiễu cho nhau (nhiễu này do phần năng lượng nằm ngoài băng thông của các kênh nhỏ kế cận nhau gây ra) Do đó, phải có một phương thức điều chế làm cho tín hiệu sau điều chế ở các kênh con là trực giao (orthogonal) với nhau

Hình 1.1: Sự chồng lấn phổ của các sóng mang con

Như vậy việc dùng OFDM là để tránh những khó khăn do hiệu ứng chọn lọc

tần số của một kênh có băng thông rộng gây ra Bản chất của nó là chuyển từ một kênh có băng thông rất rộng, chọn lọc tần số, về nhiều kênh con song song nhau, mỗi kênh có băng thông rất hẹp và do đó nó thể được coi là phẳng trên miền tần số

Để làm được việc này, người ta sử dụng phương pháp ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM Đây là một dạng đặc biệt của phép ghép kênh đa sóng mang thông thường FDM Tuy nhiên, OFDM khác với FDM ở một vài điểm:

Trong kỹ thuật OFDM, một bản tin được truyền đi trên một số N sóng mang con, thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang

sử dụng trong FDM N sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm gọi là tín

hiệu OFDM Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy,

số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng phổ tần số

I.1.2 Khái niệm trực giao

Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lượng thông tin

Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao với nhau nếu chúng thoả mãn :

∫ = ≠=

T

j

j i C dt t s t s

Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một ký tự của 2 sóng mang con khác nhau thì bằng 0 Điều này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học để chúng trực giao với nhau sẽ có dạng :





=

0

,

2 , 1 0

) 2 sin(

)

s k π

trong đó kf 0 chính là tần số của các sóng mang con

N số sóng mang con

T chu kỳ của ký tự

Nf 0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một ký tự

Trực giao trong miền tần số

Như đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang con dạng hình sin trong miền thời gian Trong miền tần số các sóng mang con này có

dạng sinc (sin cardinal) hay sin(x)/x Dạng sinc có một búp chính hẹp, và các búp

phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang con Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần

số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f 0) Tính trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0 Ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục là các mẫu rời rạc Thời điểm xác định các mẫu đó được đánh dấu bởi các khuyên tròn (o) trên hình 1.2 Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tương ứng với đỉnh của các sóng mang con Và như vậy thì sự chồng phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng mang được bảo đảm

Hình 1.2: Sự trực giao của các sóng mang con trong hệ thống OFDM

I.2 Ghép kênh OFDM trong mạng vô tuyến

Như trên đây đã trình bày, OFDM (Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang trong đó luồng dữ liệu

được phát đi trên nhiều sóng mang con - subcarrier tốc độ thấp Các sóng mang

con được chọn sao cho chúng trực giao với nhau

Trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, giữa các sóng mang khác nhau cần có dải bảo vệ, đồng thời các sóng mang con không được chồng lên nhau trong trục tần số để đảm bảo cho việc khôi phục được dữ liệu phía thu.Vì thế, hiệu quả sử dụng phổ thấp

Trong điều chế OFDM, các sóng mang con được bố trí sao cho các băng tần của các sóng mang con có thể chồng lên nhau mà vẫn cho phép phía thu thu được

chính xác các tín hiệu Để làm được việc này, yêu cầu các subcarrier phải trực giao với nhau, khi đó máy thu hoạt động như một băng giải điều chế, tín hiệu thu sẽ được lấy tích phân trong khoảng chu kỳ tín hiệu T, sau đó sẽ khôi phục được dữ liệu gốc

I.2.1 Mô hình hệ thống OFDM

Một hệ thống OFDM được mô tả như sau [2]:

Hình 3: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

đầu vào{ai} thông qua khối chuyển đổi nối tiếp/ song song, được chia thành NFFT

dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần Dòng bít trên mỗi luồng song song {ai,n} lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {dk,n} (với n là chỉ số sóng mang phụ, k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N bít song song sau khi qua bộ S/P) để tạo nên chuỗi trong miền tần số có chiều dài

T FFT Chuỗi này được đưa tới bộ biến đổi Fourier ngược nhanh IFFT hình thành nên chuỗi trong miền thời gian x {x0 ,x1 , ,xN-1 } Sau khối IFFT, CP có chiều dài

trị phức và có chiều dài T OFDM = T FFT + T G Chuỗi ký hiệu này được dùng để điều

chế các sóng mang vuông pha với tốc độ 1/Ts

Máy thu: Tín hiệu OFDM được giải điều chế theo các quá trình ngược với máy

phát trong đó phần CP được loại bỏ khỏi tín hiệu trên miền thời gian, sau đó thực hiện FFT trên mỗi ký hiệu để chuyển sang miền tần số Tín hiệu được giải mã bằng cách kiểm tra độ lệch pha của các subcarrier giữa các ký hiệu OFDM liền kề Yêu cầu phải đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số tại máy thu Các tín hiệu sau

đó qua bộ biến đổi song song/nối tiếp để phục hồi lại dữ liệu ban đầu

II Đồng bộ trong OFDM

Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI (InterSymbol Interference, InterCarier Interference) và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin Tuy nhiên, một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do vấn đề đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóng mang con Trong hệ thống OFDM, người ta thường xét đến ba

loại đồng bộ: đồng bộ ký tự (Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (Carrier synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling-clock

synchronization)

II.1 Đồng bộ ký tự - Symbol synchronization

Nhiệm vụ của việc đồng bộ ký tự là phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu Đây là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu rộng rãi Hiện nay, với việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix), thực hiện đồng bộ ký tự đã trở nên

dễ dàng hơn nhiều Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang

II.1.1 Lỗi định thời – Timing error

Lỗi định thời gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu của ký tự thu được Nó gây nên độ quay pha của các sóng mang con, sự quay pha này sẽ lớn nhất tại các

vị trí rìa băng Nếu lỗi định thời đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong độ lớn của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì tính trực giao vẫn được bảo toàn và sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Trong trường hợp ngược lại, nếu lỗi thời gian lớn hơn thời khoảng của CP, nhiễu ISI sẽ xảy ra

Có hai phương pháp chính để thực hiện đồng bộ thời gian Đó là phương pháp đồng bộ dựa vào các tín hiệu dẫn đường (pilot) và phương pháp dựa vào tiền

tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đồng bộ thời gian dựa trên tín hiệu pilot: Thuật toán đồng bộ thời gian dựa vào

tín hiệu pilot được giới thiệu lần đầu bởi Warner và Leung năm 1993 [1], dùng cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức là các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần FM Theo đó, phía phát sẽ mã hoá một số kênh con dành riêng với tần số và biên độ biết trước Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để

có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ

Thuật toán đồng bộ bao gồm ba giai đoạn [1]: nhận biết công suất (power detection), “đồng bộ thô” (coarse synchronization) và “đồng bộ tinh” (fine synchronization)

- Giai đoạn nhận biết công suất cho phép xác định có hay không tín hiệu OFDM tại đầu vào máy thu, bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng

- Trong giai đoạn đồng bộ thô (coarse synchronization), tín hiệu sẽ được đồng bộ bước đầu với độ chính xác là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Tuy độ chính xác về đồng bộ trong bước này không cao, nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo Bước “đồng bộ thô” được thực hiện bằng cách cho tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (đã xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan Để đảm bảo tính chính xác trong việc ước lượng đỉnh tương quan, một bộ lọc số được sử dụng để cung cấp các giá trị dữ liệu nội suy Đồng thời, tần suất ước lượng các điểm tương quan phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu

- Bước cuối cùng trong thuật toán là đồng bộ tinh (fine synchronization) Các kênh con cùng các tín hiệu dẫn đường được cấn bằng với các kênh đã được ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện Do độ chính xác thời gian đồng bộ đảm bảo nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên đáp ứng xung của kênh sẽ nằm trong khoảng thời gian của CP (vì thời khoảng CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung ít nhất là

1 mẫu)

Đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix): Thực chất của

phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp, là chèn vào các thời điểm ban đầu của các ký hiệu OFDM thứ N một chuỗi bảo vệ GI (Guard interval) Chuỗi bảo vệ, là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG, lấy ở phía cuối một mẫu tín hiệu OFDM

có độ dài TFFT (hình 2.1) được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu OFDM này Trong khoảng thời gian GI này máy thu sẽ không xử lý các tia phản

xạ (của ký hiệu OFDM trước đó) đến trễ hơn khoảng thời gian cho phép, và như vậy nó có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập

đa đường Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng ký tự để lấy

ra được biên độ và pha của sóng mang con Với các hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu như nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước FFT phải như nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì được tính trực giao giữa các sóng mang

con Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi ký tự thu được có thời gian lấy mẫu là T G +

T FFT , trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín hiệu trong khoảng thời gian T FFT Do đó

khoảng thời gian T G là thừa Với một kênh truyền lý tưởng không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các ký tự

Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý tưởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu được Lượng quay pha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con Giả sử lượng thời gian xê dịch là như nhau với các ký tự khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng được loại bỏ bởi bước cân bằng kênh truyền Trong môi trường đa đường, dải bảo vệ càng lớn thì ISI càng được loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian cũng được giải quyết

Điều kiện quyết định để đảm bảo cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI và loại bỏ lỗi xê dịch thời gian là TG ≥ τmax Trong đó: τmax là trễ truyền dẫn lớn nhất trong kênh truyền Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ GI không mang thông tin

có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống sẽ bị suy giảm đi một hệ số là [3]:

G FFT

FFT

T T

T

+

=

-Hình 2.1 : Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ GI.

Dù việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã làm cho việc sử dụng kỹ thuât này trở nên rất phổ biến mà trong

hệ thống OFDM nào cũng phải sử dụng Việc nhận dạng khoảng bảo vệ ở phía thu

có thể được phân tích như sau [1]: với N là số sóng mang nhánh N cũng bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của ký tự OFDM (không kể CP) Khi đó:

Nếu r(m) và r(m+N) tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng

của cùng một ký tự OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên công suất của

d(m) = r(m) - r(m+N) thấp Mặt khác, r(m) và r(m+N) không tương ứng với các

mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự, do d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan, nên công suất trung bình của d(m) trong

trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của ký tự OFDM

Nếu sử dụng một “cửa sổ” trượt có độ rộng đúng bằng khoảng thời gian của

CP (tức là điểm cuối của cửa sổ trùng vào điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của ký tự OFDM sẽ có một cực tiểu về công