CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN về OFDM trong ỨNG DỤNG MATLAB TRONG mô PHỎNG OFDM

Sự trùng lắp nàyđược phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh củasóng mang này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giaonhau đ

CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

- -2.1 Giới thiệu chương:

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý của OFDM Các nguyên lý

cơ bản của OFDM, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trongOFDM Bên cạnh đó các đặc tính hiệu ứng đa đường trong hệ thống OFDM, thuận lợi vàkhó khăn của hệ thống OFDM, ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũngđược đưa ra ở đây

2.2 Định nghĩa và nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM:

2.2.1 Định nghĩa:

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OrthogonalFrequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thôngthường nếu nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ nhữngnguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóngmang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênhlại để tạo nên sóng mang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplexing) Ta cóthể liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thànhmột dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từngdòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưngkhông thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thựchiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứng khác nhau đối với nhiễu

2.2.2 So sánh sự khác nhau của hệ thống FDM và hệ thống OFDM:

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệuOFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữacác sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không

của điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh đểđảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa nhữngsóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệuquả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm khoảng cách các sóngmang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp nàyđược phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh củasóng mang này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giaonhau để những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Hình 2.1: Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung

Dãy thông được tiết kiệm

Hình 2.2: Phổ của OFDM và FDM

2.2.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM:

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng

dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vìkhoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, chonên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISIđược hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗisymbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theochu 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 manglân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM

Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thốngOFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóngmang 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 đài phátthanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cáchgiữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác.Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong mộtdòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDMđược tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệuOFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữanhững sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng khônggây 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

Tần số

Tiết kiệm băng thông

(b)

Hình 2.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

thông được tiết kiệm

nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giaonhững sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc

độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữliệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếptheo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT.Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên cáckênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gianliên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trêncác kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại

bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sangmiền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chếđược sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cânbằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽđược sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng

y f (n) y(n)

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo vệ

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để 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 dạng sónganalog 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 sideBand (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóngmang 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 dữliệu 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

(bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang

trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ

số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảmkhông có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóngmang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếukhoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký

tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 2.5: Phổ của sóng mang con OFDM

2.2.3.1 Đơn sóng mang (Single Carrier):

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉtrên một sóng mang.

Hình 2.6: Truyền dẫn sóng mang đơn

Hình 2.6 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 truyềntrên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụngnhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệthống đơn 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

2.2.3.2 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

Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thuđược chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiếnFEC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điềuchế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệkhi hiệu quả phổ kém.

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền songsong nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụngbăng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóngmang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó.Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được.Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng đểthay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa,IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọnhơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúptiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thểviết dưới dạng:

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

)) ( ( 2 1 0

1 ) ( j πkk t lT N L

l

k

a N

Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k

trong symbol OFDM thứ l

N : số sóng mang nhánh

L : chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

s NT T

1 1



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 hợp sóng mang trực giao với

nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm

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

2.2.3.3 Tính trực giao:

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu khác.Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênhchung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhân gây ra sự suygiảm tín hiệu trong viễn thông

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóngmang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang đượccách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụngcác bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo

vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau Việc đưa vào các 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 cách giữacác 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 thể sắp xếp

các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tínhiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Để cóđược kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt độnggồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấytích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đềudịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ , kết quả tính tíchphân các sóng mang khác sẽ là zero Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau(trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây

ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao

Hình 2.8: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ bịảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là tiền tốlặp (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 hệ thốngOFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băngtần gốc

2.3 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM:

2.3.1 Điều chế M-PSK:

PSK (Phase Shift Keying), tiếng Việt gọi là điều chế số theo pha tín hiệu Tín hiệuPSK có dạng sóng dao động có tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi góc pha khác nhau của tínhiệu

2.3.1.1 Điều chế BPSK:

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng để

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

] ) ( 2

cos[

2 )

T

E t

b

b i

2 , 1

; 0

; ) 1 ( ) (t  i  tT b i

 Hay: 1( )  2 cos[ 2 f t  ]

T

E t

b b

] 2

cos[

2 )

( ]

2 cos[

2 )

T

E t

S t

f T

E t

b

b c

b b

Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit

E b : Năng lượng của 1 bit

θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và khôngảnh hưởng đến quá trình 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 1800 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

b c

b

T t t f T

 ( ) 2 cos( 2  ); 0

Khi đó, S1(t)  E b (t)

S2(t)   E b (t)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai

điểm bản tin (M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình sau:

Hình 2.9 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gausstrắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:

e Trong đó,

E b : Năng lượng bit

0 0

) ) ( 2 cos(

.

2 )

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

4 ) 1 2 ( )

 t  i Trong đó,

i = 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:

0

;

)0

()2sin(

.4)]

12sin[(

2)2cos(

]4)

1.2cos[(

T t t

f i

T

E t

f i

πkf T

t

Φ1( )   2 sin( 2 c ) 0  

T t t

πkf T

t

Φ2( )  2 sin( 2 c ) 0   Khi đó:

] 4 ) 1 2 cos[(

) ( ] 4 ) 1 2 sin[(

) ( )

(t  1 t E i   2 t E i 

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:

)4,3,2,1(4

)12cos[(

]4)12sin[(

E

i E s