Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

Trong những năm gần đây điều chế đa sóng mang đang được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ứng dụng như đường dây thuê bao số tốc độ cao HDSL, thuê bao số tốc độ rất cao VDSL, đường dây th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỞ ĐẦU 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 1 : ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH 1

1.1 Các yếu tố ảnh hưởng truyền dẫn vô tuyến 10

1.1.1 Đặc tính sóng vô tuyến 10

1.1.2 Suy hao đường truyền 10

1.1.3 Phading 11

1.1.3.1.Truyền đa đường 11

1.1.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến phading đa đường 12

1.1.3.3.Độ di tần Doppler 12

1.2 Kỹ thuật mô phỏng đường truyền vô tuyến 13

1.2.1 Kênh AWGN 13

1.2.2 Kênh Fading Rayleigh 14

1.2.3 Kết luận 21

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THÔNG TIN ĐIỀU CHẾ TRỰC GIAO 22

2.2.1.Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song 26

2.2.2 Bộ điều chế M-QAM 26

2.2.3 Bộ biến đổi IFFT 27

2.2.4 Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp 27

2.2.5 Chèn tiền tố lặp CP: 28

2.2.6 Bộ chuyển dổi D/A, bộ dao động cao tần RF và bộ khuếch đại công suất HPA: 30

2.2.7 Kỹ thuật giải điều chế OFDM 31

2.3 Đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 34

2.3.1 Ưu điểm: 34

2.3.1.1 Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng

kháng nhiễu tốt trên kênh Fading chọn lọc tần số: 35

2.3.1.2 Tính phân tập tần số cao 36

2.3.1.3 Hiệu suất sử dụng phổ cao 36

2.3.1.4 Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống 37

2.3.2 Nhược điểm 38

2.3.2.1 Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao 38

2.3.2.2 Đồng bộ trong OFDM 38

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNH 39

3.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2] 39

3.2 Cấu trúc của chương trình mô phỏng sử dụng máy tính [12 ] 41

3.3 Kết luận 52

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM CÓ MÁY THU CHUYỂN ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO DÙNG KÝ HIỆU DẪN ĐƯỜNG 53

4.1 Giới thiệu 53

4.2 Ký hiệu dẫn đường hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDM 55

4.3 Kết luận 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 83

MỞ ĐẦU

Công nghệ Viễn thông trên thế giới đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và an ninh của mỗi quốc gia cũng như trên toàn cầu Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử, tin học, quang học… Công nghệ Viễn thông đã và đang mang đến cho con người những ứng dụng trong tất cảc các lĩnh vực như kinh tế, giáo dục, văn hoá, y học, thông tin quảng bá Các quốc gia đều coi Viễn thông tin học là một trong những ngành mũi nhọn và được đầu tư thích đáng để có được những thành tựu, những vị trí xứng đáng trong công cuộc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân khác Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo ra các dịch vụ tốc độ cao, nhờ đó đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin ngày một tăng của con người với độ chính xác và tin cậy cao Đặc biệt hơn nữa, trong môi trường truyền thông vô tuyến với đặc điểm không thuận lợi như truyền thông hữu tuyến, yêu cầu thiết kế hệ thống hợp lý để cung cấp hiệu năng truyền thông tin cậy là một vấn đề phức tạp Để đạt được mục tiêu của các dịch

vụ vô tuyến tế bào băng rộng cần thiết phải chuyển đổi sang các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 (4G)

Trong những năm gần đây điều chế đa sóng mang đang được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ứng dụng như đường dây thuê bao số tốc độ cao HDSL, thuê bao số tốc độ rất cao VDSL, đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL, truyền hình số mặt đất BVD-T, mạng vô tuyến cục bộ WLAN, quảng bá truyền hình số với độ phân giải cao HDTV Đặc biệt việc áp dụng OFDM cho các hệ thống Wireless LAN thu được nhiều thành tựu đáng kể, công nghệ OFDM được sử dụng làm cở sở của tầng vật lý PHY trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc

Mỹ và HiPerLAN/2 ở Châu Âu, được xem xét cho các tiêu chuẩn IEEE 802.11g

và WLAN 802.16

Để có thể truyền dữ liệu tốc độ cao như vậy mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh, âm thanh tốt thì các tham số của hệ thống phải được lựa chọn phù hợp OFDM dựa trên phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang

con là trực giao (orthogonal) với nhau Chính nhờ điều này mà nó có các ưu điểm nổi bật như: khả năng chống nhiễu xuyên ký tự (ISI- inter Synbol

Interference), tốc độ và dung lượng truyền thông tin lớn, chi phí lắp đặt thấp ( nhờ sự phát triển của các chip FFT và IFFT), hiệu suất phổ cao, tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm không tránh khỏi Luận văn này sẽ giới thiệu tổng quan về OFDM, sử dụng Matlab làm công cụ để mô phỏng hệ thống OFDM, tìm hiểu về tác dụng của ký hiệu huấn luyện dặc biệt (pilot) hỗ trợ trong việc thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM di động tốc độ cao

Luận văn này được chia làm 4 chương:

Chương 1: Đường truyền vô tuyến và kỹ thuật mô phỏng đường truyền trên máy tính

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thông tin điều chế trực giao

Chương 3: Thiết kế mô phỏng hệ OFDM trên máy tính

Chương 4: Mô phỏng hệ thống OFDM chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital Converter

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex

CE Channel Estimation

CI Carrier-to-interference ratio

CP Cyclic Prefix

DAB Digital Audio Broadcast

D/A Digital to Analog Converter

DFT Discrete Fourier Transform

DVB Digital Video Broadcast

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

GI Guard Interval

HiperLan/2 High Performance Radio Local Area Networks Type 2

ICI Intercarrier Interference

IFDT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI InterSymbol Interference

MT Mobile Terminal

MAP Maximum A Posteriori Probability

ML Maximum Likelihood

LAN Local Area Network

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex

PAR Peak to Average Power Ratio

PAM Pulse Amptitude Modulation

PER Packet Error Rate

P/S Parallel to Serial Converter

PSK Phase Shift Keying

M-QAM M ary- Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

RFOSCI Radio Frequency Oscilator

SNR Signal to Noise Ratio

S/P Serial to Parallel Converter

VLSI Very Large Scale Integrated

WLAN Wireless Local Area Network

CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

Hình 1.1 Độ di tần Doppler

Hình 2.1 Mô hình điều chế OFDM tương tự

Hình 2.2 Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT

Hình 2.3 Giản đồ chòm sao của tín hiệu 16 QAM

Hình 2.4 Kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP

Hình 2.5.Chống ISI nhờ chèn CP

Hình 2.6 Mô hình đi ều chế OFDM tương đương

Hình 2.7 Đồng bộ trong hệ OFDM

Hình 2.8 Ảnh hưởng của khe phading lên tín hiệu QAM đơn sóng mang

Hình 2.9 Ảnh hưởng của khe phading giảm đi khi tác dụng l n tín hiệu OFDM

Hình 2.10 Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM

Hình 3.1 Mô phỏng bằng máy tính tỷ số lỗi bít của một hệ thống OFDM

Hình 3.2 Dạng đường cong BER chuẩn

Hình 3.3 Dạng đường cong PER chuẩn

Hình 3.4 : Dạng khung của mô hình mô phỏng

Hình 3.5: (a)Truyền dữ liệu trên kênh I và (b) Truyền dữ liệu trên kênh Q

Hình 3.6 Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT

Hình 3.7: Giản đồ PER dưới tác động của các môi trường

Hình 3.8: Giản đồ BER khi Fd=150

Hình 4.1 : Dạng khung của mô hình mô phỏng

Hình 4.2 Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT

Hình 4.3: Cấu trúc khung truyền của qúa trình mô phỏng truyền dẫn OFDM Hình 4.4 Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b) Hình 4.5 Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)

Hình 4.6 Dạng đường cong BER (DATA)

Hình 4.7 Dạng đường cong PER

Hình 4.8 Dạng đường cong BER có DA

Hình 4.9 Dạng đường cong BER ( CE+ DATA)

Hình 4.10 Dạng đường cong PER (CE+ DATA)

Các bảng sử dụng trong đề tài

Bảng 3.1 Mô phỏng máy tính để tính toán BER của một hệ thống OFDM

CHƯƠNG 1 : ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ

PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH

1.1 Các yếu tố ảnh hưởng truyền dẫn vô tuyến

1.1.1 Đặc tính sóng vô tuyến

Đối với đường truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận chỉ là đường truyền tín hiệu đơn trực tiếp, nó sẽ được tái tạo hoàn chỉnh như ban đầu Tuy nhiên, trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốt quá trình truyền Điều này là do tín hiệu nhận đượ c c hịu nhiề u t ác động như suy giảm, phản xạ

và tán xạ từ các đối tượng ở gần như đồi núi, cao ốc, nhà cửa, xe cộ Sau đây ta xem xét các đặc điểm cơ bản là vấn đề suy hao và phading

1.1.2 Suy hao đường truyền

Suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách và theo tần số Trong không gian tự do thì suy hao này tỷ lệ với bình phương khoảng cách Tuy nhiên các hiệu ứng về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu thu được có sự thăng giáng Hiện tượng này được gọi là suy giảm logarit chuẩn Okumura và Hata đã xây dựng công thức thực nghiệm để mô hình hoá loại suy giảm này [2]

với Lp : hàm của khoảng cách d giữa nơi phát và nơi thu

d0 : khoảng cách chuẩn từ 1m đến 1km tuỳ theo mô hình được chọn

Ls : suy hao tại điểm có khoảng cách chuẩn d0

n : hệ số mũ suy hao

Bộ chuyển đổi Phía phát

Tín hiệu trực tiếp

Tín hiệu phản xạ

X : là một giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn có phương sai 

1.1.3 Phading

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể được truyền đồng thời trên hai hay nhiều đường truyền sóng do các hiện tượng vật lý như phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục Hiện tượng này gọi là phading

1.1.3.1.Truyền đa đường

Truyền đa đường trong kênh vô tuyến tạo ra các hiệu ứng phading quy mô nhỏ, trong đó có 3 đặc điểm quan trọng sau:

- Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong

khoảng thời gian ngắn

- Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau

- Sự lệch thời gian gây ra bởi độ trễ của các tín hiệu truyền đa đường Trong các vùng đô thị, suy giảm xảy ra do chiều cao của anten di động thấp hơn các công trình xây dựng xung quanh, nên không có đường truyền thẳng

từ trạm cơ sở đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Tín hiệu thu được tại máy di động gồm một số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên Thậm chí máy di động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh vô tuyến

Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với vận tốc không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian Do tính giao thoa của sóng mà máy có thể di chuyển qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn

là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu thu trong thời gian dài Do sự chuyển động tương đối giữa máy

di động và trạm gốc, mỗi sóng nhiều đường truyền chịu một độ dịch chuyển rõ

rệt về tần số Sự dịch chuyển tần số thu được do chuyển động được gọi là dịch chuyển Doppler, nó tỷ lệ thuận với vận tốc và phương chuyển động của máy di động so với phương tới của sóng nhiều đường truyền thu được

1.1.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến phading đa đường

Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến phading quy mô nhỏ, đó là:

-Sự truyền đa đường:

Nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều đường truyền gây ra các thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phading quy mô nhỏ, hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai Sự truyền đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu và gây nên hiệu ứng ISI

-Tốc độ của máy di động:

Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa đến điều chế tần số ngẫu nhiên do sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền

-Tốc độ của các vật xung quanh:

Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động, chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các đường truyền Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn phading quy mô nhỏ Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh có thể bỏ qua,

và chỉ có tốc độ của máy di động cần được xem xét

-Độ rộng dải truyền của tín hiệu:

Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng giáng mạnh Nếu dải rộng của tín hiệu truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu được không bị méo dạng song cường

độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh

1.1.3.3.Độ di tần Doppler

Xét một máy đi động chuyển động với vận tốc không đổi v, dọc theo một đoạn đường có độ dài d giữa các điểm X và Y, trong khi nó nhận các tín hiệu từ

một nguồn S ở xa Hiệu số về độ dài đường truyền mà sóng đi từ nguồn S tới máy di động ở điểm X và Y là:

1.2 Kỹ thuật mô phỏng đường truyền vô tuyến

Trong phần này sẽ trình bày kỹ thuật mô phỏng kênh AWGN, kênh fading

đa đường làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thông tin vô tuyến sử dụng Matlab

r(t)=s(t)+n(t) (1.4) Trong đó n(t) là hàm mẫu của quá trình AWGN với hàm mật độ xác suất pdf và mật độ phổ công suất như sau:

N0 là hằng số và thường được gọi là mật độ công suất ồn Để mô phỏng trong Matlab, ta sử dụng hàm randn, hàm này có tác dụng tạo ra một chuỗi ngẫu nhiên các số hoặc ma trận mà các thành phần của chúng gồm các số 0 và

1 Do đó nếu cộng nhiễu AWGN vào tín hiệu thì khi điều chế tín hiệu ta sẽ được vectơ dữ liệu trên kênh I và kênh Q là idata và qdata,

iout(t)= idata(t)+ randn(t)

qout(t)= qdata(t)+ randn(t)

Tuy nhiên trong khi mô phỏng để tính BER ta không dùng cách thay đổi công suất tín hiệu mà bằng cách thay đổi công suất nhiễu, ở đây ta định nghĩa công suất nhiễu là biến npow, idata và qdata là điện thế, còn npow là công suất Do đó chúng ta phải chuyển npow từ công suất sang điện thế Và khi đó

ta định nghĩa biến attn là căn của npow là

2

1

npow attn 

Do đó, dữ liệu nhận được sau khi bị làm nhiễu bởi công suất ồn npow sẽ trở thành:

iout(t)= idata(t)+ attn randn(t)

qout(t)= qdata(t)+ attn randn(t)

Chương trình sẽ cộng AWGN vào các tín hiệu điều chế vuông pha gióng như

đã đi qua kênh AWGN

1.2.2 Kênh Fading Rayleigh

Đường truyền giữa trạm gốc và trạm máy thu di động của hệ thông tin di động mặt đất có đặc điểm thay đổi theo sự phản xạ và che khuất Ví dụ như đối với môi trường indoor có máy móc, đồ đạc, còn đối với môi trường outdoor là

(1.5) (W/Hz)

2

1 )

các toà nhà cao tầng và cây cối Tất cả những điều đó gây ra sự không chính xác của tín hiệu thu được khi truyền thông tin từ trạm gốc đến trạm di động cơ sở Các sóng truyền từ trạm gốc đến máy di động không chỉ là những sóng thẳng trực tiếp mà trong đó còn cả những sóng phản xạ, nhiễu xạ Vì vậy, đường truyền của các sóng thẳng, sóng phản xạ, sóng nhiễu xạ là khác nhau kéo theo thời gian đến trạm thu di động cơ sở là khác nhau Hơn nữa pha của các sóng đến này sẽ thay đổi do phản xạ Kết quả là tại nơi thu sẽ nhận được các sóng có pha khác nhau Khi so sánh độ lệch về thời gian của các sóng tới với sóng trực tiếp ta sẽ có một độ lệch nào đó và các sóng này được gọi là các sóng trễ Đặc điểm này của môi trường truyền dẫn làm cho tại nơi thu ta sẽ thu được rất nhiều đường tín hiệu đến với khoảng thời gian khác nhau và chúng được gọi chung là môi trường truyền đa đường Trong môi trường truyền đa đường này tín hiệu nhận được có khi được tăng cường có khi bị suy giảm Hiện tượng này được gọi

là fading đa đường và mức tín hiệu của các sóng nhận được thay đổi một cách liên tục Fading đa đường làm tăng tỷ số lỗi bít của tín hiệu nhận được

Các sóng trễ với góc tới là nđược cho bởi sóng truyền đi từ trạm gốc với tần số mang fc (Hz) có thể biểu diễn là

r n  Ree n(t) exp j( 2f c t) (1.9)

Ở đây Re[] chỉ ra rằng ta lấy phần thực của đại lượng thu được từ các sóng tới từ các hướng n, j là số phức, en(t) được cho bởi (1.10) bằng cách dùng độ dài đường truyền từ trạm gốc của các sóng tới: Ln(m), tốc độ của trạm di động, v(m/s), và

độ dài bước sóng (m)

) ( ) ( )

cos (

2 exp

động và cosn=1 Các sóng trễ đến từ phía sau của trạm di động có độ dịch tần là -fd(Hz)

Trong công thức (1.11) ta thấy các sóng nhận đƣợc r(t) nh là sóng tổng hợp của tất cả các sóng đến khi số sóng đến là N

n n

)

(

)

(  (1.11)

 Re x(t)  jy(t)(cos 2f c t jsin 2f c t)x(t) cos 2f c ty(t) sin 2f c t

Trong đó x(t) và y(t) đƣợc cho bởi

x(t), y(t) là quá trình ngẫu nhiên chuẩn hoá có giá trị trung bình của 0 và độ lệch chuẩn  khi N là đủ lớn Hàm mật độ xác suất liên kết p(x,y) đƣợc cho bởi công thức (ở đây x=x(t), và y=y(t)):

)

R    (1.15)

] / [ tan

)

(t   1 y x



) 12 1 ( )

( )

(

) ( )

N

n n

t y t

y

t x t

x

Bằng cách đổi biến, p(x,y) có thể được biến đổi thành p(R,):

(





R R

p (2.18)

Từ các phương trình trên ta thấy được sự ảnh hưởng của các thông số theo phân bố Rayleigh và sự thay đổi pha theo dạng phân bố của kênh fading trên môi trường truyền dẫn

Tiếp theo ta sẽ mô phỏng kênh fading Rayleigh như sau Ở đây trạm di động nhận được các sóng có thời gian tới là khác nhau, góc tới phân bố đều và

số sóng các sóng đến là N Trong trường hợp này sự thay đổi do fading trong hệ thống lọc thông thấp là [13,14]

N

d t

t

N

n

d t

t d

t t

t N

n f

N

n N

j

t f N

t N

n f

N

n N

t y j

2

) 19 1 ( )

2 cos(

1

1 2

cos 2 cos sin

1 2

) ( )

Tiếp theo ta sẽ giải thích cách thức để có thể mô phỏng trong môi trường truyền dẫn đa đường Trong môi trường truyền đa đường, trạm di động không chỉ thu

được các sóng thẳng trực tiếp mà còn thu được các song tới do phản xạ, nhiễu

xạ, và tán xạ, chính vì thế thời gian tới của các sóng này là trễ hơn so với các sóng trực tiếp Mối liên quan giữa các sóng thẳng và sóng trễ được mô tả trên hình 1.2

Trên hình 1.2 chỉ ra biên độ và pha của tín hiệu nhận được dưới tác động của phân bố Rayleigh tại nơi nhận sẽ bị thay đổi Và nó cũng chỉ ra công suất trung bình của các sóng thẳng và song trễ Điều này chỉ ra rằng ta có thể lấy được mức tín hiệu liên quan và thời gian trễ của các sóng trễ khi đem so sánh với các sóng trực tiếp

Sơ đồ khối mô phỏng đường truyền đa đường được trình bày trên hình 1.4 và thực hiện mô phỏng kênh dưới tác động của fading Rayleigh và kênh AWGN ta thu được đồ thị sự phụ thuộc giữa BER và ebn0 như hình vẽ sau:

Hình 1.2 Dạng phát tín hiệu của kênh fading đa đường

Đồ thị trên là một ví dụ mô phỏng có thời gian mô phỏng tại một vòng lặp

là 50s độ phân giải trong vòng lặp là 0.5s Ba sóng trễ có công suất trung bình

là -10dB, -20dB, -25dB nhỏ hơn so với các sóng trực tiếp

Trong khi mô phỏng các biến đầu vào của kênh fading đa đường được cho như sau:

Các thông số được đặt để sử dụng cho mỗi vòng lặp Để bắt đầu, tín hiệu vào sẽ bị làm trễ bằng cách dùng các thông số đầu vào Bước tiếp theo fading

Hình 1.3 Đồ thị BER dưới tác dụng của kênh AWGN và Fading Rayleigh

Rayleigh được cộng vào tín hiệu trễ Chỉ có các sóng trễ được đặt các thông số mới lặp lại cách xử lý này Kết quả là tín hiệu lối ra đã được cộng nhiễu fading Rayleigh đa đường

Một vấn đề còn tồn tại trong trường hợp này là phân bố Rayleigh phải độc lập đối với mỗi thời gian trễ Tuy nhiên trong khi mô phỏng thì phân bố này lại giống nhau bởi ví dạng sóng fading của tất cả các đường truyền dẫn được tạo ra

từ một hàm Do đó kỹ thuật để phân bố Rayleigh được sinh ra một cách độc lập

là cần thiết

Có rất nhiều phương pháp để tạo ra phân bố fading Rayleigh độc lập tại mỗi khoảng thời gian trễ, nhưng trong phần này phương pháp tính fading được trình bày là một ví dụ Trong khi mô phỏng ta sử dụng bộ tạo fading do đó sẽ không chỉ tạo ra một dạng sóng fading

Sơ đồ mô phỏng kênh Rayleigh thực hiện như sau

For delayed wave # j Start J=0

J=j+1

Shift of input data by delayed time

Fade for the sifted signal by subfunction

J=the number of delayed wave

# j

End

Output Ich data : iout Output Qch data : qout Output data

Input I ch data : i data Intput Q ch data : q data Delayed time : itau Signal power of delayed waves : dlvl Time resolution : tstp Simulation time in one simulation : nsamp Fading counter : itn Input parameters

n

y

1.2.3 Kết luận

Kênh phding đa đường gây nên hiện tượng trễ trải Kênh này có một đai lượng là nghịch đảo của thời gian trễ trải gọi là độ rộng băng kết hợp Khi truyền tín hiệu qua kênh fading đa đường thì tín hiệu thu được sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu ISI, đặc biệt là khi truyền với tốc độ cao Khi đó chu kỳ bit là nhỏ và tương đương với thời gian trễ trải, hiện tượng chồng lấn sang tín hiệu bên cạnh

sẽ xảy ra

Đối với mô hình đa sóng mang, luồng dữ liệu được chia làm nhiều luồng con và truyền song song Mỗi luồng con được truyền với tốc độ thấp hơn nên không nhạy với trễ trải về thời gian của kênh Do trễ trải cùng bậc với chu kỳ bít nên nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu và do đó triệt được ISI Về phương diện tần số, có thể coi mỗi dải con là có fading phẳng Mỗi dải con chiếm 1/N dải thông nên nhỏ hơn so với độ rộng băng kết hợp, do đó fading trên mỗi dải con có thể coi là fading phẳng và vì vậy triệt được ISI Trong chương này đã trình bày về đặc điểm của kênh truyền AWGN và kênh fading Rayleigh Dựa vào các đặc điểm

đó để có thể mô phỏng kênh truyền vô tuyến dưới tác động của kênh fading Rayleigh và AWGN Khi mô phỏng kênh truyền ta sẽ thu được dạng đồ thị của

tỷ số lỗi bit khi truyền và từ đó rút ra được những vấn đề còn tồn tại khi mô phỏng kênh truyền trên máy tính so với khi truyền sóng vô tuyến trong môi trường truyền thực

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THÔNG TIN ĐIỀU

CHẾ TRỰC GIAO

Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM với những ưu điểm nổi bật của mình như: khả năng đáp ứng truyền thông với tốc độ cao, ổn định, khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt là chống ISI trên những môi trường khác nhau hữu tuyến cũng như vô tuyến, với hiệu quả sử dụng phổ tần cao…

đã trở thành một kỹ thuật quan trọng, được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống khác nhau với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về loại hình thông tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay

2.1 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM

Thực ra, kỹ thuật điều chế OFDM đã được nghiên cứu và đưa ra từ đầu những năm 60 và là một đề tài quan trọng của những nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell-Mỹ Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình điều chế tương tự (hình 2.1) Vì vậy, mô hình này đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao Chính bởi những yêu cầu rất khắt khe đó, đã làm cho việc thực hiện theo kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn và đã hạn chế chất lượng cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi của

hệ trên thực tế

Hình 2.1:Mô hình điều chế OFDM tương tự

Đế n nă m 1971, có mộ t đ óng góp rấ t quan trọ ng, phả i kể đ ế n trong việ c phát triể n củ a kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM đ ó là đ óng góp củ a

hai tác giả : Weinstein và Ebert thuộ c phòng thí nghiệ m Bell Hai tác giả nà y đ ã đ ư a ra ý tư ở ng thay thế các bă ng lọ c hoà n hả o và các

bộ dao đ ộ ng cao tầ n RF bằ ng việ c xử lý bă ng gố c thông qua bộ biế n đ ổ i DFT có sử dụ ng thuậ t toán biế n đ ổ i Furier nhanh FFT và chính ý tưở ng trên củ a Weinstein và Ebert cùng vớ i sự phát triể n rấ t nhanh củ a công nghệ VLSI tố c đ ộ cao đ ã tạ o cơ sở cho sự phát triể n và ứng dụ ng rộ ng rãi các kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM trong nhiề u hệ thố ng khác nhau Bở i vậ y, đ ể có thể hiể u đ ượ c sâu sắ c

kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM cùng vớ i những ưu đ iể m củ a nó thì ta phả i tìm hiể u ý nghĩ a và vai trò củ a bộ FFT/IFFT trong mô hình xử

lý số và quan hệ củ a nó vớ i mô hình xử lý tươ ng tự

Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên mỗi nhánh thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự (hình 2.1) có thể được biểu diễn dưới dạng sóng mang phức như sau:

)]

( [

).

( )

c

n n

e t A t

S    (2.1) Trong đó: An(t) và n(t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh thứ n, n = 0 + n , các sóng mang con tại các nhánh khác nhau thì trực giao, khi đó tín hiệu OFDM thu được từ phép điều chế sẽ là tổng của các sóng mang con trên các nhánh thành phần và có dạng:

)]

t ( t [ j n

N

1)t(

Điều mà ta thường phải quan tâm khi phân tích tín hiệu thu được sau khi thực hiện điều chế OFDM chính là các kí hiệu OFDM (OFDM symsols), với các đặc điểm và khoảng thời gian kéo dài TS = TOFDM symbol =T của nó Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài T của một kí hiệu OFDM thì các biến An(t) và n(t) sẽ cố định và chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con Vì vậy ta có thể viết:

n(t) n

An(t)  An

Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/ T0 ta có:

N

n

kTo n j n OFDM

n

e t A N kT

0

0 0

.

1 ) (

N

n

kT n j j n

N kT

N

kT n j j n 0

N

1)kT(

N

T f nk 2 j j n 0

N

1)kT(

N

nk 2 j c

0

NT

nSN

1)kT(

S (2.5)

Với N là kích thước của bộ FFT/IFFT

Ta có thể nhận thấy: giữa (2.4) và (2.5) có một sự tương đương thú vị

và rất có ý nghĩa trong việc thiết kế hệ thống Cụ thể là: ta hoàn toàn có thể thực hiện việc điều chế tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử dụng các bộ dao động tần số cao đơn thuần mà vẫn đảm bảo được tất cả những điều kiện mà một hệ OFDM tương tự yêu cầu Trong đó, điều kiện quan trọng nhất đó là tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con Điều kiện này được thoả mãn khi: khoảng cách tần số giữa các

sóng mang con:

NTo T

Với T là khoảng thời gian kéo dài của một symsol OFDM hay còn gọi

là chu kỳ của mỗi ký hiệu OFDM

T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu OFDM của mỗi một kí hiệu OFDM

Từ việc phân tích trên ta đi đến một mô hình điều chế và giải điều chế OFDM điển hình, trong đó có sử dụng các bộ xử lý số thực hiện biến đổi ỤFFT/FFT như chỉ ra trên hình 2.2

2.2 Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng bộ biến đổi

IFFT/FFT

Như đã phân tích ở trên, mô hình điều chế OFDM tương tự đã gặp phải rất nhiều khó khăn trong khi thực hiện trong các hệ thống thực tế bởi những yêu cầu rất khắt khe của mô hình điều chế này Chính vì vậy, việc đưa ra ý tưởng thực hiện điều chế tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng các bộ biến đổi IFFT/FFT là một trong những điểm mốc quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật điều chế đa sóng mang Cùng với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ xử lý cao, kỹ thuật điều chế OFDM được thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn nhiều và được ứng dụng ngày càng rộng rãi

Mô hình điều chế và giải điều chế OFDM dùng IFFT/FFT điển hình và thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống trên thực tế được đưa ra trên hình 2.2 Ta tiến hành phân tích, tìm hiểu chức năng của từng khối trong hệ thống này

lo¹i bá CP

R F O S C I f

2.2.1.Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song

Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát nối tiếp với tốc độ bit cao đầu trên sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song với nhau, tốc độ bit truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều phụ thuộc vào số nhánh con được

sử dụng Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của các hệ điều chế OFDM Chính điều này đã tạo nên hiệu quả chống ISI rất tốt cho hệ thống Ưu điểm này của kỹ thuật điều chế OFDM sẽ được phân tích cụ thể ở phần sau

2.2.2 Bộ điều chế M-QAM

Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữ liệu con Khi đó, các nhóm n bit (với : 2n = M) trên mỗi nhánh con sẽ dược tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế

cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các kí hiệu M-QAM Như vậy, mỗi kí hiệu M-QAM sẽ mang trên nó

n bit dữ liệu ban đầu, và có thể được biểu diễn bằng các véc tơ phức I-Q Nếu

ta gọi si là các kí hiệu M-QAM phức, thì: ta có thể biểu diễn:

Si = an + j bn Với: an, bn =  1 trong trường hợp điều chế QPSK

hay: an, bn = 1,  3 trong trường hợp điều chế : 16 - QAM

Các kí hiệu M-QAM với các biên độ và pha đặc trưng cho mỗi kí hiệu bởi vậy còn có thể được biểu diễn rất trực quan trong không gian tín hiệu thông qua giản đồ chòm sao của nó Hình 2.3 cho ta giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế 16QAM

Hình 2.3: Giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế 16QAM

2.2.3 Bộ biến đổi IFFT

Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con sau đó được lấy mẫu

và đưa đến các đầu vào của bộ biến đổi IFFT Nếu bộ IFFT có N đầu vào thì :

N được gọi là kích thước của bộ biến đổi IFFT

Trên thực tế, số sóng mang con thực sự được sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT bởi thực tế, trong số N đầu vào bộ IFFT thì có một số đầu vào gọi là đầu vào ảo được sử dụng cho mục đích khác nhau: tạo khoảng trống giữa các kí hiệu OFDM hay chèn tiền tố lặp.v.v

Sau khi thực hiện biến đổi IFFT ta được các mẫu tín hiệu Sfi(nT) Đây

là các mẫu tín hiệu trực giao ứng với các sóng mang con trực giao có tần số

N

nk 2 j n

N

1)nT

(

S n = 0, 1, 2… N-1 (2.6) Các bộ biến đổi IFFT/FFT đều dựa trên các thuật toán biến đổi Furier nhanh Nhờ việc sử dụng các thuật toán này mà số lượng các phép nhân phức được giảm xuống nhiều (chỉ còn: N/2 log2N phép nhân phức so với N phép nhân phức của bộ DFT thông thường) Chính điều này đã nâng cao được tính đơn giản và hiệu quả của việc sử dụng các bộ IFFT/FFT trong kỹ thuật điều chế OFDM

2.2.4 Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp

Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi từ song thành nối tiếp để có thể được truyền đi trên đường truyền Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm nhiều kí hiệu OFDM nối tiếp nhau

Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là T và N là kích cỡ của

bọ biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các kí hiệu OFDM với khoảng thời gian kéo dài của mỗi kí hiệu (hay còn được gọi là : chu kỳ của kí hiệu OFDM) là T với: T = N T0

Mỗi kí hiệu trên được tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu Sfi thu được sau khi biến đổi IFFT Các mẫu này cùng nhau quy định những tính chất đặc trưng cho mỗi kí hiệu OFDM và trong quá trình truyền đi: tập các kí hiệu OFDM được tạo nên từ một nhóm N mẫu này thường được đánh dấu để phân biệt được với nhau nhờ dùng phương pháp chèn CP hay chèn các kí hiệu đặc biệt vào giữa các kí hiệu OFDM Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều chế và việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu Chính bởi đặc điểm này, mà các kí hiệu OFDM được tạo bởi N mẫu trên còn được gọi là các cửa

sổ "trượt" OFDM [11] [8]

2.2.5 Chèn tiền tố lặp CP:

Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi ta thêm vào các khoảng bảo vệ trước mỗi kí hiệu OFDM Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài là lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là kênh Fading đa đường Như vậy thì

ta có thể chọn khoảng bảo vệ là các khoảng trống hoặc là một kí hiệu đặc biệt nào đó

Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống vào thì mặc dù ta tránh được hiện tượng ISI song ta lại không thể tránh đưọc hiện tượng nhiễu xuyên giữa các sóng mang ICI xảy ra [10] Bởi vì, khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh Fading thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số các sóng mang con thành phần bởi vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong một kí hiệu OFDM không còn nữa, làm cho ICI tăng lên

sau khi các kí hiệu được giải điều chế tại nơi thu

Như vậy, thì để có khả năng triệt ISI và khả năng chống lại được với ICI thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một kí hiệu đặc biệt, và kỹ thuật sử

dụng kí hiệu đặc biệt này để chèn vào khoảng bảo vệ gọi là kỹ thuật chèn tiền

tố lặp CP Tên gọi "tiền tố lặp" có đƣợc chính bởi xuất phát từ thao tác đặc biệt để tạo ra khoảng bảo vệ đó là: Ký hiệu đặc biệt trong khoảng bảo vệ lại chính là phiên bản sao chép của đoạn tín hiệu cuối trong mỗi kí hiệu OFDM Bản sao này sau đó đƣợc ghép vào đầu của mỗi kí hiệu OFDM (hình vẽ 2.4) Khi đó, nhờ tín tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ

kí hiệu mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn đƣợc duy trì và do vậy ta

có thể tánh đƣợc hiện tƣợng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về pha giữa các kí hiệu OFDM [10] Hình vẽ 2.5 minh hoạ cho ta điều này

Việc sử dụng khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp CP đặc biệt ngoài khả năng chống ICI và ISI rất tốt cho hệ thống OFDM thì kỹ thuật này còn có một tác dụng rất lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu Vấn đề này sẽ đƣợc phân tích sâu hơn ở phần sau của luận văn

Tuy nhiên, việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi kí hiệu OFDM truyền đi có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi Song với những lợi

Hình 2.4: Kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP

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

có tần số cao trong dải tần vô tuyến RF (RFOSCI) để sau đó có thể đưa tín hiệu lên kênh truyền để tới nơi thu

Bộ khuếch đại HPA có tác dụng khuếch đại công suất tín hiệu trước khi tín hiệu được phát đi Có một điểm ta phải chú ý ở đây đó là: với tín hiệu được điều chế OFDM thì mức công suất trung bình của tín hiệu là tương đối cao, thêm vào đó có sự xuất hiện những giá trị biên độ đỉnh lớn đã làm cho điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất HPA dễ bị đẩy lùi về vùng phi tuyến Do vậy, để HPA hoạt động trong vùng tuyến tính thì cần phải có các thuật toán nhằm làm giảm mức công suất đỉnh trên công suất trung bình tức giảm PAR[20][21]

2.2.7 Kỹ thuật giải điều chế OFDM

Tại nơi thu, bộ giải điều chế OFDM cũng bao gồm cỏc khối tương tự như nơi phỏt súng với chức năng ngược lại Song, cú một số điểm mà ta phải thực chỳ ý ở đõy đú là: Kỹ thuật giải điều chế OFDM trong điều kiện kờnh truyền và hệ thống khụng phải là lớ tưởng thỡ việc thực hiện giải điều chế tại nơi thu sẽ gặp những khú khăn gỡ Bởi vỡ, trong kỹ thuật giải điều chế của hệ thống OFDM cú những điểm khỏc biệt và phức tạp hơn nhiều so với một hệ đơn súng mang thụng thường Nú ẩn chứa một yờu cầu về đồng bộ rất khắt khe và đõy chớnh là một trở ngại chớnh đối với người thiết kế hệ thống OFDM

và đồng thời cũng là chỡa khúa để đưa một hệ OFDM cú thể thực thi và ỏp dụng được trong thực tế

Thực vậy, theo mụ hỡnh điều chế được đưa ra trờn hỡnh 2.2 ta thấy rằng nếu ta cú cỏc tớn hiệu dữ liệu trờn cỏc nhỏnh con được điều chế bằng phương phỏp điều chế M-QAM và mỗi kớ hiệu M-QAM được biểu diễn bởi một vectơ phức si với : si = ai + j.bi Số cỏc súng mang con cú được của hệ là N, khoảng thời gian kộo dài của mỗi kớ hiệu OFDM là: T và fc là tần số súng mang tham chiếu Thỡ theo như đó phõn tớch trong phần 2.1 về sự tương đương giữa hai

mụ hỡnh điều chế OFDM và để cú sự tiếp cận tốt hơn trong việc tỡm hiểu đặc điểm của quỏ trỡnh giải điều chế OFDM, ta biểu diễn mụ hỡnh 2.2 theo mụ hỡnh điều chế tương đương như sau (hỡnh 2.6) [10]

chuyển

đổi

s /p.

Điều chế

 -j N(t-ts)/T

cp

txf

R F O S C I

R F O S C I

ftx

Khối thu Khối phát

Hình 2.6 : Mô hình điều chế OFDM tương đương

Như vậy, kí hiệu OFDM thu được sau khi điều chế được biểu diễn:

.s)

t

(

S

s s

s s

1 2 N

2

N i

) t t ( T

i 2 j 2

N i

s

Taị nơi thu, chú ý là: nếu ta giả thiết kênh truyền là lí tưởng, bộ tạo dao động cao tần tại nơi thu là lí tưởng để có thể tạo ra tần số frx = ftx đồng thời việc loại bỏ CP và thời điểm định thời cho việc lấy mẫu tại nơi thu cũng là lí tưởng ,bộ khuyếch đại công suất HPA hoạt động ở chế độ hoàn toàn tuyến tính Ta gọi các điều kiện trên đây là điều kiện (*) thì khi đó ta mới có thể có được:

Ttsttse

.s)

t(S)

t

(

1 2 N

2

N i

) ts t ( T

i 2 j 2

Khi đó, tại nơi thu quá trình giải điều chế sẽ đƣợc thực hiện để thu lại

dữ liệu ban đầu,song với điều kiện: nơi thu ta phải có một tập các hàm sóng mang trực giao và tập này là một phiên bản của tập các hàm sóng mang tại nơi phát theo quan hệ : TK (t) = TK (Ts - t) [7] (Bộ biến đổi FFT tại nơi thu

có thể đáp ứng tốt đƣợc điều này) Ta gọi đây là điều kiện (* *)

Giả sử điều kiện (*) và (**) đƣợc thoả mãn thì các kí hiệu OFDM thu đƣợc sẽ đƣợc nhân với các hàm trực giao cơ sở tại nơi thu:

) ( 2

) ( ) ( );

( )

k j S

tx rx

S tx

Và sau đó tín hiệu thu đƣợc sẽ đƣợc lấy mẫu tại thời điểm t = T để thu đƣợc các mẫu ri (t) ,và các mẫu ri(t) thu đƣợc này có thể đƣợc coi nhƣ kết quả của việc tích phân trong khoảng thời gian T của một kí hiệu OFDM của thành phần tín hiệu tích và đƣợc biểu diễn [10] :

dte

.s.e

2

N i

) ts t ( T

i 2 j 2

N i

T ts

ts

) ts t ( T

k 2 j

k -(khi 0

k)(khi .Tsdte

s)

t

(

N ts ts

) ts t ( T

k i 2 j

1 2 N

2

N

N i

Nhƣ vậy, ta thấy rằng khi điều kiện trực giao về tần số giữa các sóng

mang con đƣợc thoả mãn tức là: fi - fk = m F = m

T

1 (m  Z) (điều kiện

***) và các điều kiện (*) (**) cũng đƣợc thoả mãn thì tại nơi thu ta hoàn toàn

có thể khôi phục lại đƣợc các mẫu dữ liệu ban đầu

Qua việc phân tích ở trên, ta có thể thấy rằng, nguyên tắc giải điều chế OFDM tại nơi thu với việc sử bộ biến đổi FFT ở một khía cạnh nào đó gần giống với nguyên tắc thu tối ƣu với việc sử dụng các mạch lọc hòa hợp với các đáp ứng xung rx (t) là hợp với các đáp ứng xung tx (t) tại nơi phát nếu

(2.11)

điều kiện (**) được thoả mãn [9] [22] Tuy nhiên, trong phép giải điều chế OFDM này đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều so với việc giải điều chế số trong

hệ đơn sóng mang thông thường

Thông qua sự phân tích trên ta thấy rằng: Rõ ràng việc giải điều chế OFDM chỉ thực hiện được khi mà cả ba điều kiện đã nêu phải được thoả mãn Tuy nhiên, trong thực tế truyền tin thì các điều kiện trên thực khó mà có được thậm chí là không thể có được Bởi vì: trên thực tế, các tín hiệu OFDM trong quá trình truyền đi luôn chịu các tác động không lý tưởng của môi trường như: tạp âm, hiện tượng Fading, hiệu ứng Dopler v.v… Thêm nữa, các bộ dao động tạo ra các tần số cao, ổn định tần giữa nơi phát và nơi thu là không lý tưởng, dẫn đến có sự sai lệch giữa ftx và frx, đồng thời việc xác định chính xác điểm lấy mẫu định thời cho các mẫu trong một ký hiệu OFDM hay điểm bắt đầu ts của mỗi ký hiệu này cũng gặp nhiều khó khăn do luôn xuất hiện một độ dịch về điểm định thời trong khi lấy mẫu tín hiệu tại nơi thu so với điểm định thời chuẩn tại nơi phát Chính bởi vậy, trong mô hình giải điều chế OFDM của các hệ thu trong thực tế không thể không có một khối quan trọng đó là: khối đồng bộ (hình 2.7)

2.3 Đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

2.3.1 Ưu điểm:

Từ những phân tích trên ta có thể thấ y đ ượ c mộ t số ưu đ iể m củ a

hệ thố ng sử dụ ng kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM hay còn gọ i là kỹ thuậ t

đ iề u chế đ a sóng mang so với hệ đ iề u chế đ ơn sóng mang thông thườ ng Bên cạ nh đ ó, hệ thố ng OFDM cũ ng có những thế mạ nh rấ t

lớ n so vớ i hệ đ ơ n sóng mang Chính bở i những ưu đ iể m nà y mà

hệ thố ng OFDM đ ã trở thà nh mộ t ứng cử viên quan trọ ng trong các

đ ề án quy đ ị nh cho các chuẩ n củ a các hệ thố ng đ ược phát triể n trong tươ ng lai

H×nh 2.7: §ång bé trong hÖ OFDM 2.3.1.1 Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh Fading chọn lọc tần số:

Một trở ngại rất lớn đối với hệ đơn sóng mang truyền thông tốc độ cao

đó là vấn đề Fading chọn lọc tần số Bởi vì: trong trường hợp truyền tin với tốc độ cao thì khoảng thời gian kéo dài của mỗi symbol đơn sóng mang là nhỏ Điều này làm cho tín hiệu truyền kênh rất nhạy với hiện tượng ISI bởi khoảng cách giữa các ký hiệu là nhỏ so với độ trải trễ cực đại của kênh đa đường Còn với hệ đa sóng mang, nhược điểm trên được khắc phục khá tốt bởi: một trong các đặc điểm quan trọng nhất của hệ điều chế đa sóng mang đó là: sự chia luồng dữ liệu có tốc độ cao ban đầu thành các luồng con song song

có tốc độ nhỏ hơn n lần so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu Tín hiệu sau khi điều chế được truyền đi trên kênh truyền là các ký hiệu OFDM có khoảng thời gian kéo dài lớn, được truyền đi với tốc độ nhỏ song lại mang một lượng thông tin khá lớn trên mỗi ký hiệu OFDM Chính bởi điều này mà tác động

của kênh Fading lên tín hiệu OFDM truyền đi có thể được coi như là "phẳng"

và hiện tượng ISI do vậy giảm đi rất nhiều

có thể là phân tập theo không gian, thời gian hoặc tần số

Trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang, với việc sử dụng nhiều sóng mang nên tự bản thân kỹ thuật này đã tạo ra khả năng phân tập rất tốt theo tần

số

Hình 2.9: ảnh hưởng của khe Fading giảm đi khi tác dụng lên tín hiệu OFDM

Khi đó thông tin được "trải" ra trên nhiều sóng mang con khác nhau, tạo nên một khả năng chống được các ảnh hưởng của kênh Fading chọn lọc tần số là rất tốt Hình 2.8 và 2.9 minh hoạ cho ta thấy rõ điều này

2.3.1.3 Hiệu suất sử dụng phổ cao

Khác với hệ đa truy nhập ghép kênh theo tần số FDMA với việc sử dụng nhiều sóng mang khác nhau, hệ OFDM cũng sử dụng nhiều sóng mang song các sóng mang này là trực giao nghĩa là: các sóng mang con có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo khả năng chống ICI tại đầu thu Điều này đã tạo nên một hiệu quả sử dụng dải tần rất cao cho hệ thống OFDM

Nếu số sóng mang con được sử dụng là : N thì dải băng tần tổng cộng

BWtotal  2 N f

Hình vẽ 2.10 minh hoạ cho ta thấy rõ được sự hiệu quả này

Hình 2.10: Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM

2.3.1.4 Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống

Cùng với việc Wenstein và Ebert đưa ra ý tưởng dùng các bộ IFFT/FFT

để thực hiện điều chế và giải điều chế OFDM thì việc thực thi hệ thống OFDM trở nên đơn giản và hiệu quả hơn nhiều so với trước đây và với công nghệ vi mạch tích hợp, tốc độ xử lý cao đang có những bước phát triển rất cao

như hiện nay thì hệ OFDM sẽ hứa hẹn một khả năng đáp ứng với chất lượng tốt và ổn định trong tương lai không xa

2.3.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm mà hệ OFDM đạt được thì hệ này cũng thể hiện một số nhược điểm mà điển hình trong đó là: hai nhược điểm chính đó là: tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình PAR cao và hệ thống rất nhạy với độ dịch tần do vậy đòi hỏi quá trình đồng bộ rất ngặt nghèo Hai nhược điểm này là hai thách thức lớn đối với người thiết kế hệ thống

2.3.2.1 Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao

Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phần tín hiệu nên biên độ của nó có đỉnh cao dẫn đến tỉ số PAR là cao PAR cao dẫn đến điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất bị đẩy lùi về vùng phi tuyến làm ảnh hưởng đến tín hiệu được phát đi Chính vì vậy, trong thực tế, luồng ký hiệu OFDM phải được làm giảm PAR trước khi qua bộ khuếch đại công suất nhờ các thuật toán làm giảm PAR [20 ] [21]

2.3.2.2 Đồng bộ trong OFDM

Vấn đề đồng bộ là một khâu rất quan trọng không chỉ trong hệ điều chế đa sóng mang mà còn là khâu không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin số nói chung Song với đặc thù của hệ OFDM đã làm cho hệ trở nên rất nhạy cảm với nhiều yếu tố tác động: Nhiễu tạp âm, lỗi định thời ký hiệu, lỗi dịch tần số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu v.v Chính bởi vậy, việc thực hiện đồng bộ trong hệ OFDM gặp nhiều khó khăn hơn so với các hệ thống thông thường Đồng bộ là một vấn đề chung cho các hệ thống thông tin Trong quá trình thu phát, đồng bộ có thể bị lỗi do các nguyên nhân sau:

• Lỗi đồng bộ ký tự (symbol)

Lỗi này xuất hiện khi xác định sai điểm biên của từng ký tự Nếu lỗi này lớn, nghĩa là vượt qua cả giới hạn của CP thì sẽ xảy ra nhiễu xuyên ký tự ISI Hơn nữa, sau khi lấy DFT, nhiễu xuyên kênh ICI cũng có thể xảy ra do mất tính trực giao giữa các sóng mang Vì vậy, trong các hệ thống thông tin người ta phải

xác định CP một cách cẩn thận sao cho trong hầu hết các trường hợp đường biên không lấn sang ký tự kề bên Khi đó sẽ không có ISI và ICI

• Tần số lấy mẫu không hòa hợp

Tần số lấy mẫu không hòa hợp do sự khác nhau giữa đồng bộ nơi phát và nơi thu Nó là vấn đề lớn trong hệ thông tin tốc độ cao Ảnh hưởng của nó làm tăng lỗi về pha và suy hao biên độ dẫn tới ICI

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNH 3.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2]

Thiết kế một hệ OFDM phải lựa chọn giữa một loạt các thông số giống như

với các hệ thông tin khác Thông thường các thông số dùng cho thiết kế là: tốc độ bít, dải thông và trễ trải do kênh Việc thiết kế dựa vào các thông số trên để tính chu kỳ của một ký hiệu, khoảng bảo vệ, số sóng mang con, mô hình điều chế và

mã hoá phù hợp

 Độ dài của khoảng bảo vệ phải lớn hơn trễ trải cực đại nhưng không được quá dài làm giảm hiệu suất dải thông Nói chung khoảng bảo vệ nên gấp từ

24 lần độ trễ trải G2

 Độ dài ký hiệu được xác định từ dải bảo vệ ở trên Để giảm mất mát SNR

do khoảng bảo vệ, thời gian ký hiệu phải lớn hơn nhiều thời gian bảo vệ