Đồ án ứng dụng của ofdm

Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật OFDM cũng như ứng dụng của OFDM, mình đã làm đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và ứng dụng của kỹ thuật OFDM”. Sau một thời gian tìm hiểu, mình đã tổng hợp lại những kiến thức và tài liệu để hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 2

1.1 Giới thiệu chương 2

1.2 Khái niệm OFDM 2

1.3 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 2

1.4 Đơn sóng mang (Single Carrier) 7

1.5 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 8

1.6 Sự trực giao (Orthogonal) 10

1.6.1 Trực giao miền tần số 11

1.6.2 Mô tả toán học của OFDM 12

1.7 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 18

1.7.1 Điều chế BPSK 18

1.7.2 Điều chế QPSK 20

1.7.3 Điều chế QAM 23

1.7.4 Mã Gray 24

1.8 Các đặc tính của OFDM 26

1.8.1 Ưu điểm 27

1.8.2 Nhược điểm 27

1.9 Kết luận 28

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH 1 SỐ KỸ THUẬT CỦA OFDM 29

2.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 29

2.2 Tính trực giao 30

2.3 Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM 32

2.4 Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang 34

2.4.1 Khái niệm 34

Chương 3: ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG OFDM 36

3.1 Hệ thống DRM 36

3.2 Các hệ thống DVB 37

3.2.2 DVB-H: Điện thoại di động truyền hình 39

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

LỜI MỞ ĐẦU

Việc nghiên cứu kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần sô trực giao (OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỉ trước, với những ưu điểm chính như : Cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính vì thế OFDM càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như internet không dây, mạng di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận 1 cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM Hiện nay OFDM đang được nghiên cứu

và ứng dụng rất nhiều.

Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật OFDM cũng như ứng dụng của OFDM, em đã được giao đề tài “ Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và ứng dụng của kỹ thuật OFDM” Sau một thời gian tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của các thầy, cô giáo đặc biệt

là thầy Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng dẫn, đến nay em đã hoàn thành đồ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toáncủa 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, các ứng dụng và ưunhược điểm của hệ thống OFDM

1.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn

bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mangnày trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên mộtchu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần

số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mangphụ

1.3 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên 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.Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảngthời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗisymbol OFDM được 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

đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,

ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng

mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng nàycần trực giao với nhau.

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóngmang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổtrong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kểcho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mangtùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đasóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn vàphát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thựchiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên

Do đó, sự phân tán 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

phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sựngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạmvới các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạmđược kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này đượctruyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cảcác sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số vớinhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang nàychồng 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 FDM những tín hiệu truyền cần cókhoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làmgiảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng manglàm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu songsong tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưađến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng vớicác kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảmnhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng

bộ lọc phía phát định dạng 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 nhiễugây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạtđược tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miềnthời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó,tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của cácsóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization).Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuốicùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạtín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Mộtphạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin

là dạng sóng 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 đồ điều 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 chialuồng 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 (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 thôngkênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khảnăng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt đểbảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISIgiữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất.Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóngmang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà khônggiao thoa hay chồng phổ

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM

1.4 Đơn sóng mang (Single Carrier)

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

đi chỉ trên một sóng mang

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9]

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 khitruyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phứctạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

1.5 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóngmang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băngthông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu cóích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữliệu có ích

Hình 1 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9]

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽthu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương phápsửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thôngthường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang(ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyềnsong song nhờ 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 tự,…Để làm được điều

này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điềuchế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là khôngthể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổiIDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điềuchế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việcbiến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thựchiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗisóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng:

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

trực giao Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phươngpháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóngmang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụngcông nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trongthực tiễn.

1.6 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 sóngmang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lạibằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máynhư 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 cáchgiữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang đượcđịnh 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 phủlên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễugiữa các sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao vềmặt toán học Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mangxuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol đểphục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóngmang này (trong một chu kỳ  , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero.

Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữacác 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 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 tự (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi

là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóngmang con khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên

hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằngviệc xử lý băng tần gốc

1.6.1 Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần sốsinc(sin (x)/x) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo củasóng mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định(TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ1/TFFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyếntần số sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một

số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống 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 rời rạc (DFT).

1.6.2 Mô tả toán học của OFDM

Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hànhcủa máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhómtrực chuẩn (Orthogonal basis)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệuđược thể hiện bởi công thức:

1 ( ( )) 0

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng Tcp Lúc này tín hiệu được biểudiễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:

1 0

CP

j kf t T

CP k

T T t

1 , 0

Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0

Hàm số thông thường có giá trị bằng 0 Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sinsau:

Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau, kết quả cũng sẽ bằng 0.

Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau

Điều này gọi là tính trực giao của sóng sine Nó cho thấy rằng miễn là haidạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 Đây là cơ sở đểhiểu quá trình điều chế OFDM

Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số.

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôndương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là vấn đề rất quan trọng trongquá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miềntần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao Từ phântích trên, ta có thể rút ra kết luận:

 Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùngnhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậyảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

 Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh cannhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóngmang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây cannhiễu

1.7 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 sốphức d n  a n b nở ngõ ra Các kí tự a b n, n có thể được chọn là � �1, 3 cho 16 QAM và

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng

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

Trong đó: Tb: Độ rộng của 1bit

Eb: 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 1Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệuđối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

 c 

2 ( ) os 2 f ;0

Hình 1.15: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

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

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:

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

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

Hình 1.16: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSKXem bảng ta thấy, mức logic ‘1’ thay đổi vào  E , còn mức logic ‘0’ thì biến đổivào E Vì cùng lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng

và được biến đổi mức rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng

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