Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

Tải bản đầy đủ - 0trang

Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này

cần trực giao với nhau.

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

mang lân 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 thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang

tùy 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 đa

sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và

phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực

hiện 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



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 5 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự

ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên khơng có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm

với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thơng tin từ nhiều trạm

được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được

truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả

các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với

nhau, cho phép kiểm 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 FDM những 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.



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 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 đưa

đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính tốn 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 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



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 6 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



truyền trên các kênh. Trong q trình truyền, trên các 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 sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT. 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 xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối

cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 7 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



Tất cả các hệ thống truyền thơng vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ

tín hiệu thơng tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một

phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng 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 thơng 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



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 8 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



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 cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để

bảo đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng có hiện tượng giao thoa ký tự ISI

giữa 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 sóng

mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khơi phục mà khơng

giao 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 mơ tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 9 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi

truyền 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 phức

tạp. 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 khơng 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

thơng thì khi chịu 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 khơi phục dữ

liệu 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 sẽ

thu được chính xác. Để khơi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp

sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông

thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để khơng 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 truyền

song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang các bit thơng tin. Bằng cách này ta có thể

tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 10 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



này, một sóng mang 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 để thay 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 gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực

hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi

sóng 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:



1

S (t ) 

N

Trong đó:



N 1



��a

l



k 0



lk



e j 2 k (t lTs ( N l ))



alk: 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



1

1



T NTs



Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ GP (Guard

Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang

cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các

sóng mang được chọn chính 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



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 11 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương

pháp này nhưng còn hạn chế về mặt cơng nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng

mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng

công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong

thực tiễn.

1.6 Sự trực giao (Orthogonal)

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các

sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thơng thường, các sóng

mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại

bằng cách sử dụng các 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

giữa các tín hiệu là khơng hồn tồn 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 tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà khơng có sự can nhiễu

giữa các sóng mang. 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  , 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 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.



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 12 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



Hình 1.9: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn 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 khơng bị xun nhiễu bởi các sóng

mang 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 bằng

việc 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 phổ

của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số

sinc(sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của

sóng 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 phụ

1/TFFT Hz. Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến

tần 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



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 13 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



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 tốn học của OFDM

Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành

của máy thu cũng như mô tả các tác động không hồn hảo trong kênh truyền.

Về mặt tốn học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm

trực chuẩn (Orthogonal basis).

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu

được thể hiện bởi công thức:

S s (t ) 



N 1



1

N



�A e

k 0



c



j (nt c ( t ))



(1.1)



Trong đó:   0  n.

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy

mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi cơng thức:



1

S s (kT ) 

N



N 1



�A e

k 0



n



j�

  0  n.  kT  n �







(1.2)



Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành n mẫu đã được giới

hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu.

Ta có mối quan hệ:



  n.T



Khi 0  0 thì ta có:



1

S s (kT ) 

N



N 1



�A e

k 0



c



jn



.e j ( n ) kT



(1.3)



So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:



1

g (kT ) 

N



N 1



�n

G





�NT

k 0



�j 2 nk / N

e







(1.4)



Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 14 / 48



Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa Điện- Điện tử

f 



Đồ án cơ sở ngành

Đề tài: Tìm Hiểu OFDM



1

1



NT 



Đây là điều kiện u cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo tồn tính

trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier.

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau. Có

thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:



 k (t )  exp(jk t )



k  0  2



k

t



(1.5)



Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong

biểu thức (1.1):

b



j 2 ( p  q ) t / 



e





dt  (b  a ) khi p = q



a



e j  2  ( p  q ) b / 



 0 khi p = q và  b  a   

j  2 ( p  q ) /  



(1.6)



( p, q là hai số nguyên)

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/  , đạt đến u cầu của tính trực

giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn  .

Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao cho

phép truyền tín hiệu hồn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà khơng có

can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết

trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp

xếp một trong các tín hiệu thơng tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau. Các tín

hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với

một dải phụ. Dải tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian

symbol. Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và

chúng trực giao với nhau.



GVHD: Nguyễn Văn Vinh



Trang 15 / 48



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×