Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Tải bản đầy đủ - 0trang

Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hƯ thèng sÏ bao gåm rÊt

nhiỊu c¸c nhãm nh vËy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có

thể tuỳ biến. Các sóng mang con trong một nhóm đợc đồng

bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu

giữa chúng đợc thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng mang con

này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không

gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng đợc bảo đảm. Việc

chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần.

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng

mang với nhau nên các sóng mang có thể đợc điều chế theo

cả 2 phơng thức: tơng tự và số. Trong OFDM, các sóng mang

con đợc đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phơng thức điều

chế số. Một ký tự (symbol) OFDM đợc hiểu là một nhóm các

bit đợc truyền một cách song song. Trong miền tần số, các

symbol này tồn tại dới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng

khối có sự chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giao

trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo.



2.1 Trực giao trong OFDM

Tín hiệu đợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập

với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu

mang tin đợc truyền đi trên kênh truyền thông thờng mà

không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín

hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thông tin. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến

vấn đề trực giao. Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDM)

truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh bằng cách cấp

cho mỗi bản tin mét khe thêi gian. Trong suèt thêi gian truyÒn

mét khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin nh vậy ta đã

tránh đợc nhiễu giữa chúng. Các bản tin có thể đợc xem nh là

đã trực giao víi nhau, trùc giao vỊ mỈt thêi gian. Kü tht

FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số

bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có

một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu.

OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu

vào một tập các sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng

sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời

gian tån t¹i symbol. Nh vËy, trong thêi gian tån t¹i symbol, mỗi

sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Nh vậy

mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ

của chúng chồng lấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây

nhiễu cho nhau H×nh sau sÏ cho thÊy cÊu tróc cđa mét tÝn

hiƯu OFDM víi 4 sãng mang con.



H×nh 2- CÊu tróc trong miỊn thêi gian cđa mét tÝn hiƯu

OFDM



Bµi tËp lín- Bïi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang

con thành phần, với số chu kỳ tơng ứng là 1, 2, 3, và 4. Pha

ban đầu các sóng mang con này đều bằng 0. Hình (1b),

(2b), (3b), (4b) tơng ứng là FFT của các sóng mang con trong

miền thời gian. Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4

sóng mang con và kết quả FFT của nó.

Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi

là trực giao víi nhau nÕu chóng tho¶ m·n :



C

s

(

t

)

s

(

t

)

dt

=



∫0 i j

0



T



i= j

i j



Công thức trên đợc hiểu là tích phân lấy trong chu kú

mét symbol cđa 2 sãng mang con kh¸c nhau thì bằng 0. Điều

này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang con không gây

nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin

thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng :

sin( 2kf 0 t ) 0 < t < T

s k (t ) =

t

0



k = 1,2,...N



Trong đó:

f0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng

mang con

N số sóng mang con trong mét symbol

T thêi gian tån t¹i cđa symbol

Nf0 sÏ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong

một symbol

Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điều chế sẽ giống nh hình sau. Lu ý rằng nếu các sóng

mang con trên cha đợc điều chế thì dạng phổ của chúng

chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Hình 2-2 Phỉ cđa hä sãng mang trùc giao

Ta cã thĨ nhËn thấy rằng phổ của các sóng mang con tại

tần số trung tâm của sóng mang con khác thì bằng 0.

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi đợc biểu diễn

bởi một dạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thêi gian,

ta gäi chung lµ sãng mang. Sãng mang nµy thờng có dạng

hình sin. Sau khi đợc điều chế tin tức, trong sóng mang

không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm:

tần số trung tâm của sóng mang và các hài. Mức tơng đối

của một tần số khi so sánh với một tần số khác đợc cho bởi

phổ điện áp hoặc dòng điện. Phổ này có đợc bằng phép

biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian. Về

mặt lý thuyết, để đạt đợc giá trị phổ chính xác thì phải

quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ miền thời gian (- ữ



), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ

miền thời gian, tại vô hạn điểm. Không một hệ thống kỹ

thuật nào có thể làm đợc điều này. Thực tế cho thấy chỉ

cần thực hiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn

điểm là có thể khôi phục đợc dạng sóng mang mà không làm



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

mất đi bản chất của tin tức. Phép biến đổi Fourier tại một

số hữu hạn điểm đợc gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc

(DFT-Discrete Fourier Transform). Quá trình khôi phục dạng

sóng mang từ phổ của nó đợc gọi là phép biến đổi Fourier

ngợc.

Nh đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm

các sóng mang con dạng hình sin trong miền thời gian. Trong

miền tần số các sóng mang con này có dạng sinc (sin

cardinal), hay sin(x)/x. Dạng sinc có một búp chính và các búp

phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng

mang con. Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số

trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng

cách tần số giữa các sóng mang con (f0). Tính trực giao giữa

các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang

con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0. ở

phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ

của nó không còn là liên tục mà là các mẫu rời rạc. Các mẫu

đó đợc biểu diễn bởi các khuyên tròn (o) trên hình vẽ. Nếu

DFT đợc đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tơng

ứng với đỉnh của các sóng mang con. Và nh vậy thì sự

chồng phổ của các sóng mang con không ảnh hởng đến máy

thu. Giá trị đỉnh của một sóng mang con tơng ứng với giá trị

0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng

mang đợc bảo đảm.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Hình 2-3 Phổ cđa 1 tÝn hiƯu OFDM cã 5 sãng mang con

Trong ®ã (a) lµ phỉ cđa tõng sãng mang con vµ điểm lấy

mẫu tại máy thu, (b) là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang

con.



2.2 Thu phát tín hiệu OFDM



Hình 2-4 Sơ đồ khối thu phát OFDM



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn đợc tạo ra

trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa

pha dải rộng trong miền tơng tự. Tại khối phát, dữ liệu số sau

khi đợc điều chế vào các sóng mang đợc đem đi thực hiện

phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng

mang. Trong thùc tÕ ngêi ta dïng phÐp biÕn ®ỉi Fourier

nhanh (FFT) cho bớc này. FFT là một dạng biến đổi Fourier rời

rạc (DFT) nhng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên đợc dùng

trong các hệ thống thực tế. Sau khi đã tạo đợc sự trực giao

giữa các sóng mang, các sóng mang này lại đợc chuyển về

miền thời gian bằng IFFT để truyền đi. Lúc này ta đã tạo đợc một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trùc

giao víi nhau trong miỊn thêi gian. Lu ý, tín hiệu OFDM mới

chỉ ở băng tần cơ sở, cần đợc chuyển lên tới tần số đợc lựa

chọn để truyền đi.

Khối thu thực hiện quá trình ngợc lại khối phát. Tín hiệu

OFDM thu từ anten đợc chuyển về băng tần cơ sở để xử lý.

Tín hiệu này sau đó đợc qua FFT để phân tích tín hiệu

trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con đợc nhận diện và đợc chuyển thành dữ liệu số cần thu.



2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to

Parallel)

Dữ liệu số thờng ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp. Trong

hệ thống OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 4000 bits, do

®ã bíc chun ®ỉi nèi tiÕp song song là cần thiết để đặt

các bit thông tin lên OFDM symbol. Số bit thông tin trên một

symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóng

mang con. Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM,



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

nh vậy mỗi sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng

mang con sử dụng là 100 thì số bit thông tin trên một symbol

sẽ là 4ì 100 = 400 (bits). Chú ý rằng nếu ta dùng phơng thức

điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông

tin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau. Tại

phía thu quá trình ngợc lại, chuyển đổi song song nối tiếp,

sẽ đợc thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối tiếp nh ban

đầu.

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trờng đa đờng, do

pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng

mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại

phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh

truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân

cận nhau bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau

bị lỗi. Nếu nh cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm

kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn đề sẽ chẳng

đáng ngại. Nhng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thờng khá lớn,

trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả

lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thờng rất tốn kém. Một ý tởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này

đó là: nếu nh các cụm bit lỗi này gồm các bit không lân cận

nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía

thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và nh vậy ta đã tránh đợc

các cụm bit lỗi lớn. Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, ngời ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen

(interleaving) nh là một phần của quá trình chuyển đổi nối

tiếp song song. Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí

của chúng trong chuỗi bit thông tin đầu vào, ta truyền chúng



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng đúng thứ tự

ở phía thu.



2.2.2 Điều chế sóng mang phụ

Các sóng mang phụ sau khi đợc cấp phát các bit thông tin

để truyền đi, chúng sẽ đợc điều chế pha và biên độ bằng

các phơng thức điều chế thích hợp. Lúc này sóng mang đợc

biểu diễn bằng vector IQ. Quá trình điều chế vào các sóng

mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo

một sơ đồ điều chế (Constellation) cụ thể. Do đó quá

trình này còn gọi là Mapping.

Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã

ban đầu. Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh

truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận đợc không rõ nét, do

đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã. Do đó với mỗi phơng thức

điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định.

Ví dụ với phơng thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín

hiệu trên tạp âm cho phép là S/N = 18dB.



2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời

gian

Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định

đợc cho mỗi sóng mang con một biên độ và pha dựa trên các

bit thông tin đợc truyền đi và phơng thức điều chế sóng

mang đợc sử dụng, những sóng mang con không truyền tin sẽ

có biên độ bằng 0. Đây là bớc xây dựng tín hiệu OFDM trong

miền tần số. Để truyền đợc thì tín hiệu OFDM phải đợc

chuyển về miền thời gian bằng IFFT. Trong miền tần số, mỗi

điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tơng ứng với một



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

sóng mang con. Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ

đợc sử dụng nh dải bảo vệ



Hình 2-5 Tạo tín hiệu OFDM, giai đoạn IFFT



2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)

Tín hiệu OFDM đợc tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ

ở tần số cơ sở, tín hiệu này còn phải đợc nâng lên tần số

cao hơn ®Ĩ phơc vơ cho viƯc trun dÉn. Bíc nµy cã thể áp

dụng kỹ thuật tơng tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số. Cả 2 kỹ

thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số

có xu hớng chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối

ghép 2 kênh I&Q, mặt khác kỹ thuật điều chế số cho giá trị

pha chính xác hơn.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ

sở sử dụng kỹ thuật tơng tự



Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ

sở sử dụng kỹ thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)



2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)

Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín

hiệu OFDM nhỏ hơn nhiều so víi tèc ®é symbol cđa mét sãng

mang trong hƯ thống đơn sóng mang. Nếu sử dụng phơng

thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với tốc độ

bit. Nh ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sÏ b»ng



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×