TÌM HIỂU kỹ THUẬT OFDM TRONG MẠNG 4g (có code)

TÌM HIỂU kỹ THUẬT OFDM TRONG MẠNG 4g (có code) .............................. TÌM HIỂU kỹ THUẬT OFDM TRONG MẠNG 4g (có code) .............................. TÌM HIỂU kỹ THUẬT OFDM TRONG MẠNG 4g (có code) .............................. TÌM HIỂU kỹ THUẬT OFDM TRONG MẠNG 4g (có code) ..............................

TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM TRONG

MẠNG 4G

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1

1.2 KHÁI NIỆM OFDM 1

1.3 SO SÁNH FDM VÀ OFDM 2

1.4 TÍNH TRỰC GIAO 3

1.5 CẤU TRÚC OFDM 4

1.6 SƠ ĐỒ KHỐI OFDM 5

1.6.1 Mã hóa kênh 6

1.6.2 Khối xen rẽ Interleaver 7

1.6.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở 7

1.6.4 IFFT/FFT 7

1.6.5 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 8

1.6.6 Biến đổi cao tần RF 9

1.7 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ TRONG OFDM 9

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BER & SNR CỦA HỆ THỐNG OFDM 11 2.1 VIẾT CODE CHƯƠNG TRÌNH 11

2.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 15

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 16

3.1 KẾT LUẬN 16

3.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

DANH MỤC CÁC HÌNH V

Hình 1.1 : So sánh kỹ thuật FDM với OFDM………2

Hình 1.2: Cấu trúc OFDM trong miền tần số………4

Hình 1.3: Cấu trúc kênh con OFDM……….… … 4

Hình 1.4: Cấu trúc OFDM……….5

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống OFDM………5

Hình 1.6: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau……….9

Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM………10

Hình 1.8: Mô phỏng BER và SNR……….15

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂ

Bảng 1.1: Các phương thức điều chế số……… 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

 FDM Frequency Division Multiplex

 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Trang 1/18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1 Giới thiệu chương

 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) hay là ghép kênhphân chia theo tần số trực giao, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹthuật này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao chống nhiễu giao thoa ký

tự ISI và giải quyết được các vấn đề đa đường

băng rộng như: ADSL, VDSL, Wi-fi, Wi-max, 3G, LTE

OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóngmang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Ứng dụng và ưunhược điểm của hệ thống OFDM

1.2 Khái niệm OFDM

 OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đó là sự kết hợpgiữa mã hóa và ghép kênh Thường thì nói tới ghép kênh người ta thường nóitới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại TrongOFDM thì những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tínhiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh với nhaulại để tao nên sóng mang OFDM

 OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật FDM(Frequency DivisonMultiplex), trong kỹ thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chiathành N kênh tần số không chồng lấn nhau Tín hiệu mỗi kênh được điều chếvới một sóng mang phụ và N kênh được ghép phân chia theo tần số Để tránhgiao thoa giữa các kênh, một băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kềnhau điều này gây ra lãng phí băng tần tổng Để khắc phục nhược điểm nàycủa FDM ta cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn nhưng trực giao vớinhau Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ là tần số của mỗi sóng

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 2/18

mang phụ này bằng tần số của chu trình T Đây là vấn đề quan trọng trong kỹthuật OFDM

1.3 So sánh FDM và OFDM

 OFDM khác với FDM nhiều điểm, tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín

hiệu OFDM được đồng bộ thời gian, tần số cho phép kiểm soát tốt can nhiễugiữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần

số nhưng không gây nhiễu giữa các sóng mang (ICI:inter-carrierinterference) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM tín hiệu truyềncần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồngphổ vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang.Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phụchiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ bằng cách giảm khoảng cách cácsóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau Sựtrùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọnchính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm không của sóngmang kia nghĩa là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôiphục mà không giao thoa hay chồng phổ với nhau

Hình 1.1 : So sánh kỹ thuật FDM với OFDM [1]

1.4 Tính trực giao

sóng mang trong hệ thống OFDM Các sóng mang được sắp xếp sao cho cácdải biên của chúng che phủ lên nhau sao cho các tín hiệu vẫn có thể thu được

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 3/18

chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được nhưvậy thì các sóng mang phải trực giao về mặt toán học OFDM đạt được sựtrực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mangnhất định khác nhau Tín hiệu của OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sinnày Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thờigian cần thiết để truyền một ký hiệu symbol duration nghĩa là để truyền một

ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ

OFDM.Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng

0 và thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mangphụ trong điều chế tín hiệu Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:

dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không

1.5 Cấu trúc OFDM

băng bảo vệ và các sóng mang DC

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 4/18

Hình 1.2: Cấu trúc OFDM trong miền tần số [2]

các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài

nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho

Trang 5/18

1 và thứ 3 những sóng mang con bên ngoài đều là những sóng mang con dẫnđường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc sosánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần

số của hai sóng mang bên trong được ước lượng bằng phép nội suy tuyếntính trong miền tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mangliên kết với kí tự OFDM thứ hai ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sựước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3

1.6 Sơ đồ khối OFDM

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống OFDM [5]

song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P: nối tiếp/song song(Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụngthuật toán sửa lỗi tiến FEC và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.Những symbol hỗn hợp được đưa tới đầu vào khối IDFT, khối này sẽ tínhtoán 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 truyềntrên 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 trêncác kênh Trong quá trình truyền các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnhhưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 6/18

được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từmiền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT sử dụng thuật toánFFT Sau đó tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng sự dịch chuyển về biên độ

và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh(Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếpngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữliệu nối tiếp ban đầu

1.1.1 Mã hóa kênh

truyền số liệu yêu cầu thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp.Trong mộtbăng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùyứng dụng cụ thể Hơn nữa còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER vàthời gian trễ chấp nhận được Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạtđược tỉ số BER yêu cầu với các yếu tố này thì cần phải sử dụng các phươngpháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh

bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Hai loại mã này đều đưa thêm độ dưvào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong

mã phát hiện lỗi Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ chobên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi không cần phảitruyền lại

(convolutional code)

1.1.2 Khối xen rẽ Interleaver

kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thườngxuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọntần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 7/18

vào kỹ thuật xen rẽ người ta đã chuyển lỗi chùm thành các lỗi ngẫu nhiên.Các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóakênh

1.1.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh đượcsắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với cácphương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

1.1.4 IFFT/FFT

song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này cứ mỗi kênh con,

ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế.Trong trường hợp số kênh con khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả và

có thể là không thể thực hiện được Để giải quyết vấn đề này khối thực hiệnchức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo daođộng sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ.FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổiDFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thựchiện phép biến đổi DFT/IDFT

1.1.5 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

đường OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vàođược chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên cácsóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chếđược ảnh hưởng của trải trễ đa đường

khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ đượcchọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thôngtin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 8/18

nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ làtiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó.Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu

đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiêntượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhânchập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chậpvòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạcIFFT và FFT

Hình 1.6: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau [6]

Tg là chiều dài của khoảng bảo vệ

Τmax là trễ lớn nhất của ký tự.max là trễ lớn nhất của ký tự

Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax < Tx < Tg.

Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM

1.1.6 Biến đổi cao tần RF

tần số cao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần

cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 9/18

đổi cao tần RF.Để giảm độ phức tạp ta chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lýtín hiệu ở băng cơ sở

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM

được điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổiIFFT Các dạng điều chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độtruyền dẫn và chất lượng truyền dẫn Dạng điều chế có thể qui định bởi số bitngõ vào log2M và số phức d n = a n + jb n ở ngõ ra

Trang 10/18

CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BER

& SNR CỦA HỆ THỐNG OFDM

1.8 Viết code chương trình

trellis = poly2trellis(constlen, codegen);

codedata = convenc(data, trellis);

% plot(index,cext_data,'b',index,ofdm_sig,'r'); %plot both signals

% legend('Original Signal to be Transmitted','Signal with AWGN');

% Time averaging for optimum results

for col=1:25; %%%change if SNR loop Changed

các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu,làm tăng hiệu quả sử dụng phổ.

đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênhtruyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

nhờ sử dụng tiền tố lặp CP

nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu

do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G

Trang 16/18

pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trìnhcân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹthuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

quả trong các môi trường đa đường dẫn

Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:

OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợpxấu nhất khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽxuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn Vấn đề này đòi hỏi phải có

bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tínhiệu Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại caotần

tần Doppler CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bênthu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấymẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tínhiệu

1.11 Hướng phát triển

OFDM), WOFDM (Wideband OFDM), OFDMA (OFDM Access)

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM trong mạng 4G