Nghiên cứu vẩn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM

LỜI NÓI ĐÀUViệc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMđược biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Mạc Thị Phượng, người

đã định hướng cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này, trong quá trình thực hiện đề tàicủa mình, em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình, cùng những lời góp ý bổ ích của thầy,thầy luôn giúp em vạch ra những hướng đi đúng đắn nhất, giúp em có cơ hội tiếp cậnvới những tài liệu tham khảo tốt nhất Bên cạnh đó, cô luôn động viên, khích lệ chúng

em làm bài tốt Em hoàn thành tốt bài đồ án này là nhờ rất nhiều từ sự giúp đỡ nhiệttình của cô, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cô

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong trường

đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong thời gian qua để em có thể thực hiện tốt đồ ántốt nghiệp này

Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn

đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em về cơ sở vật chất, cũng như tinh thần giúp

em hoàn thành tốt đề tài của mình

Em xin chân thành cảm ơn ỉ

tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện

NGUYỄN VĂN LINH

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp của em với tên đề tài: “Nghiên

cứu vẩn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM ” là do chính bản thân em nghiên cứu,

tìm hiểu và xây dựng, em không sao chép nội dung của các đồ án, hay các sản phẩmtương tự khác

Em xin bảo đảm những điều em nói ở trên là đúng sự thật, nếu sai em xin chịumọi hình thức kỷ luật của trường đưa ra

Em xin chân thành cảm ơn!

tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện NGUYỄN VÃN LINH

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 1

1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) 6

1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 6

1.5 Sự trực giao (Orthogonal) 8

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 10

1.6.1 Điều chế BPSK 10

1.6.2 Điều chế QPSK 12

1.6.3 Điều chế QAM 14

1.7 Các đặc tính của OFDM 15

1.7.1 Ưu điểm 15

1.7.2 Nhược điểm 16

1.8 ứng dụng 17

1.9 Kết luận 17

Chương 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN YÔ TUYẾN YÀ ẢNH HƯỞNG TỚI OFDM 18

2.1 Giới thiệu chương 18

2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 18

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 18

2.2.2 Hiệu ứng đa đường 19

2.2.3 Dịch Doppler 23

2.2.4 Nhiễu AWGN 23

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI 24

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 25

2.2.7 Tiền tố lặp CP 26

2.3 Khoảng bảo vệ 27

2.4 Giới hạn băng thông của OFDM 29

2.4.1 Lọc băng thông 30

2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR 31

2.4.3 Anh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 32

2.5 Kết luận chương 32

Chương 3 VẤN ĐÈ ĐỒNG Bộ TRONG HỆ THỐNG OFDM 33

3.1 Giới thiệu chương 33

3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM 33

3.2.1 Nhận biết khung 34

3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 36

3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 40

3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM 42

3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot 43

3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP 44

3.3.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC) 44

3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 49

3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 50

3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang 50

3.5 Ả nh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM 53

3.5.1 Anh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian 54

3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số 55

DANH MỤC HÌNH VẼ

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chằng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chằng xung (b) 2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM 3

Hình 1.3 : Hệ thống OFDM cơ bản 4

Hình 1.4: sắp xếp tần số trong OFDM 4

Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber 5

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM 6

Hình 1.7: Truyền dẫn sổng mang đơn 6

Hình 1 8: cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 7

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao 9

Hình 1.10: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 12

Hình 1.11: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 14

Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-QAM 15

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 18

Hình 2.2: Minh hoạ hiện tượng đa đường 19

Hình 2.3: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) 20

Hình 2.4: Trải trễ đa đường 22

Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 25

Hình 2.6: Tiền tố lặp CP 26

Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ 29

Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông 30

Hình 3.1: Quá trình đồng bộ OFDM 34

Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau 35

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác nhau 38

Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL 42

Hình 3.5: Pilot trong gỏi OFDM 44

Hình 3.6: Một kiểu cẩu trúc khung symbol OFDM 45

Hình 3.7: Đồng bộ khung kỷ tự dùng FSC 46

Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Thl với giá trị SNR 48

Hình 3.9: CP trong một symbol OFDM 51

Ilình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 54

Iỉình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho cácsymbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame 55 Hình 4.1: Chất lượng của hệ thống OFDM chuẩn qua các phương pháp điều chế BPSK, 4-QAM khi chưa khắc phục ảnh hưởng của độ dịch tần 57

Hình 4.2: Chất lượng của hệ thống OFDM chuẩn qua các phương pháp điều chế 16-QAM, 64-QAM, khi chưa khắc phục ảnh hưởng của độ dịch tần 58

Iỉình 4.3: Chất lượng BER với 2 phương pháp khắc phục sc, ML (£ =0.05) 59

Hình 4.4: Chất lượng BER với 2 phương pháp khắc phục sc, ML (£ =0.10) 60

Hình 4.5: Chất lượng BER với 2 phương pháp khắc phục sc, ML (£ =0.20) 61

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Đuờng dây thuê bao số bất đối

xứngAWGN Additive White Gauss Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CIR Carrier to Interference Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễuDAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-T Digital Video Broadcasting -

Terrestrial

Truyền hình số quảng bá mặt đất

EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

HDSL High bit rate Digital Subcriber Đuờng dây thuê bao số tốc độ

ICI Inter-Carrier Interference ẩ hiễu giữa các sóng mangIDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược rời rạcIFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngượcISI Inter Symbol Interference ẩ hiễu giữa các ký hiệu

Lỗi bình phương trung bình tối

Maximum Likelihood Estimation giống nhấtOFDM Orthogonal Frequency Division Hợp kênh phân chia theo tần số

LỜI NÓI ĐÀU

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: chophép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các bănghẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đomgiản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT,FFT Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc

độ cao nhu Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAẩ không dây, được chọnlàm chuẩn cho hệ thống phát thanh số Do đó OFDM đang trở thành công nghệ đượcchấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sửdụng nhiều hom trong tưomg lai ẩ hưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năngvưom xa hom cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM vàOFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cậpbăng rộng không dây (Wimax) Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cầnphải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này ẩ ội dung của đồ án bao gồm 4chưomg:

Chương 1: GIỚI THIỆU Tổẩ G QUAẩ VỀ OFDM

Chương 2: MÔI TRƯỜẩ G TRUYỀẩ VÔ TUYẾẩ VÀ Ảẩ H Hưởẩ G

TỚI OFDMChương 3: VẤẩ ĐỀ Đồẩ G Bộ TROẩ G HỆ THỐẩ G OFDM

Chương 4: MÔ PHỎẩ G VÀ ĐÁẩ H GIÁ KÉT QUẢ

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và pháttriển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆẩ TỬ-VIỄẩ THỒẩ G,đặc biệt là cô Mạc Thị Phượng đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Thái ẩ guyên, tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện ẩ GUYỄẩ VẢẩ Llẩ H

Chương 1 GIỚI THIỆU TỒNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Khái niệm

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multilplexing) là công nghệ ghép kênhphân chia theo tần số trực giao,

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường họp đặc biệt của phương pháp điều chế

đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tần tín hiệu

ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lạitín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sửdụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

1.2 Các nguyên lý Cff bản của OFDM

ẩ guyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trựcgiao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độthấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống, ẩ hiễuxuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gianbảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDMđược 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 đasóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cóthể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mangchồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trựcgiao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)

và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng

mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồngthời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổichuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phântán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đàiphát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăncách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với cáctrạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kếthọp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sửdụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mangthứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phépkiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang 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 Với FDMnhững tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.

do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát địnhdạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh.Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu

tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóngmang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Cácsymbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùngchứng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Hình 1.3 : Hệ thắng OFDM cơ bản

Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế đề ánh xạ tínhiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm virộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạngsóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần

số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB),Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồđiều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK),khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc

độ Rc (bĩt/s) Sau đó điều chế vcd sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiềusóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênhtruyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp ầm giao thoa kỷ tự ISI nhưng tăng khả năng giaothoa sóng mang

I 1

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM

1.3 Đon sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệthống có dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang

-i»0>

Kènh

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các

ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trênkênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối họp với kênh truyền được sử dụng nhằmcực đại tỷ số túi hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệ thốngđơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính lànguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóngmang

1.4 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 khichịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh 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

hX

g(t)

Hình 1 8: cẩu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Do vậy, khỉ sử

dụng nhiều sóng mang có tếc độ bit thấp, các dữ liệu gếc sẽ thu được chính xác Đểkhôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu,mỗi sóng mang được tách ra khỉ 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 khỉ hiệu quảphổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyềnsong song nhở vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thểtận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tợ, Để làm được điều này,một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế củariêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấpnhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFTđược đùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điềuchế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFTnhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhần phức khỉ thực hiện phép biến đổiIDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệthống OFDM đều có thể viết dưới dạng

N : số sóng mang nhánh L : chiều dài

tiền tố lặp (CP)Khoảng cách sóng mang nhánh là 4

T NT s

Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) làgiảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùnglặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọnchính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường họp sóng mang trực giao vớinhau Đó chính là phưomg pháp ghép kênh theo tàn số trực giao Từ giữa những năm

1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặtcông nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổinhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích họp nên phươngpháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn

1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của cácsóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mangđược cách nhau trong một khoảng phù họp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sửdụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, cáckhoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau Việc đưa vàocác khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cáchgiữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định

vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên, có thểsắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau

mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóngmang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học.Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc.Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một

chu kỳ T, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero Do đó, các sóng mangđộc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của1/x Bất kỳ sụ phỉ tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làmmất đi tính trực giao.

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ

bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi làtiền tố lặp (CP: Cycle Prefix)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mangcon khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệthống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lýbăng tần gốc

Trực giao miền tần số

khoảng ứống 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 rờirạc (DFT)

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chếtrong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất

sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số

phức d„= a n + b„ ở ngõ ra Các kí tự a m b n có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM

biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:

2 E b T b

0(t) = (i-l )x,O<t<T b ,i = l,2 (1.2)

Hay: ^1 (0 = cos[ + 0]

^2 (0 = cos [ 2i ^c i + ÍT + Ớ] = -S'! (0 = -J^ß-cos[ 27ụf c t + Ớ] ^

Trong đó, T b : Độ rộng của lbit

E b : Năng lượng của 1 bit 9 (í): góc pha, thay đổi

theo tín hiệu điều chế

9 : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2JI và không

ảnh hưởng đến quá trinh phân tích nên đặt bằng 0 i

= 1 : tương ứng với symbol 0 i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180° như trên được gọi là các tín hiệu đốicực

Neu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

Hình ỉ ĩ Ồ: Biểu đồ không gian tin hiệu BPSK Khi tín hiệu điều chế

BPSK được truyền qua kênh chịu tác động củâ nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bỉt giải điều chế được xác định theo công thức sau:

ì = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.

Khai triển s(t) ta được:

P e = Q ' inr u N °

1.6)

Sị(t) = ị

1E

—— cos( 2ĩrt + ỡ(t) + 6)

0 <t <T

Tọa độ tin

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu haichiều và bốn bản tin như hình vẽ.

Xem bảng ta thấy, mức T thay đổi vào -4Ẽ t còn logic '0' thì biến đổi vào 4Ẽ Vì

cùng một lúc phát đỉ một symbol nên luồng vào phải phần thành hai tương ứng vàđược biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng

1.6.3 Điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp vớinhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và

đề cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thề độc lập với nhau thì ta được một

sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điềuchế biên độ gốc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha Điềuchế QAM là có ưu điểm là tầng dung lượng truyền dẫn số

Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác đinh như sau:

Hình 1.11: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

Trong đó,

Eo : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

dị, bị : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị ưí bản tin.

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là" điều chế tín hiệu vuông góc”

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:

- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng bănghẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thốngsóng mang đơn.

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI)bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôiphục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

- Kỹ thuật cân bằng kênh ứở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thíchứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điềuchế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầuvào bổ sung bộ giám sát kênh

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets)hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

- Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế

1.7.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệthống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợinghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòađều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARK, lớn hơn thì sẽ gâynên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ

trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạttrong bộ thu OFDM

1.8 ứng dụng

Ngày nay, lã thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế chocác hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (DigitalRadio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống AM), các hệthống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for TerrestrialTransmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) và ít ngườibiết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ lã thuậtOFDM, ẩ hờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóngmang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng kể

1.9 Kết luận

ẩ ội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liênquan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tínhiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên độ, cóthể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất Chương sau sẽ đề cập đến cácđặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM

Chương 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN YÔ TUYỂN

VÀ ẢNH HƯỞNG TỚI OFDM

2.1 Giới thiệu ch vơng

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máythu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyềntheo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thayđổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của

hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trìnhtruyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòanhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suygiảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tínhiệu

2.2.2 Hiệu ứng đa đường

• Rayleigh fading

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ cácvật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đâđường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị

Hình 2J: Ảnh hưởng của mồi trường vồ tuyến

Hình 2.2: Minh hoạ hiện tượng đa đường

Môi quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ranhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc Điều này được tính ưên các khoảng cách rấtngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fadingnhanh Mức thay đồi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên mộtkhoảng cách ngắn Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra dofading

Hình 2.3: Fading Rayleigh khỉ thiết bị di động di chuyển (ở tần số 9Ồ0MHz) 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 đếỉ với phân bố Rayleigh

Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố RayleighKhoãng cách dĩ chuyển

Mức tin hiệu (dB) Xác suit của mửc tin

hiệu nho hơn gia trị cho

• Fading lựa chọn tần sổ

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do cósóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường củacông 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 đápứng 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 CDMAnhằm giảm bớt suy hao

- Phân toàn bộ băng tần thảnh nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóngmang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tínhiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóngmang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong các sóngmang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dựng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC

• Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệuphản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi -Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậmhơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữatín 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 liê gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bitcao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh ph n ký tự 1ST Điều này do tín hiệu đa đường

bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể ân chia theo thời gian TDMA

Tín hiệu trực tiếp

Tin hiệu trễ

Tín hiệu thu được

Hình 2.4: Trải trễ đa đường

Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự Khi tốc độ bittruyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể Ảnh hưởngthể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time)

Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khácnhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20p,s, do đó nhiễu liên kí tự

có thể sảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25kbps

Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng

Môi trường Trãi ưé Chênh lệch quầng (lưỡng đi lởn nhàt của tin hiệuTrong nhá 40ns - 200ns 12m- ốOm

Bẻn ngoái lp.s-20p.s 300ra - ốkm

Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:

V Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chiabăng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM)

V Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA

2.2.3 Dịch Doppler

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệuthu không giống bên phía phát Khi chủng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thìtàn số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chứng di chuyển ra xanhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệchuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler

có thể được tính theo công thức:

2.2.4 NhiễuAWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu là

phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng.

Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệthống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băngthông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễuGaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác độngcủa nhiễu Gaussian trắng cộng Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của cáchạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đếnkênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thìhầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộngtác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của cácloại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

2.2.5 Nhiễu tiên kỷ tự ISI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênhtruyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ

đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiệnnay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thựchiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèntiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động khôngnhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng đểnâng cao chất lượng của hệ thống OFDM

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảngthời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký tựgây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên

ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký

tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản vàthông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vin trực giao với sóngmang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ củacác sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóngmang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác.Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh(ICI) như ở hình2.5

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đối trên thời gian ký tự OFDM DịchDoppler ưên mễỉ thành phần đa đường gây ra dịch tần số ưên mỗi sóng mang, kết quả

là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI

Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệthống OFDM

Ai.fi

5f=ũ

■—I Af h—

2.2.7 Tiền ứ lặp CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đếnmức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kỷ tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tínhiệu OFDM, đâm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Đe thực hiện

kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặplại ở phía trước mễỉ kỷ tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệgiữa các ký tự phát kề nhau Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyềnmột ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyềnthông tin có ích TFFT (cũng chỉnh là khoảng thời gian bộ EFFT/FFT phát

Tín hiện trễ cuối củng

T

‘'max

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chếnhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứngdụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuynhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại Tmax (the maximum delayspread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được cácxuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tínhiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipatheffect), 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 khácnhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhấtgiữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được quađường phản xạ Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó chophép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệthống OFDM

Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu

tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép

và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI vàICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băngthông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất.Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độtrải trễ lớn nhất của kênh truyền

2.3 Khoảng bảo vệ

Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của