Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ

liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ

liệu song song sau đó được điều chế sóng mang con. Sau đó được đưa đến đầu vào

của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ (CP) được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký

tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường

và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch

đại cơng suất và phát đi từ anten.

Trong q trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến

như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).

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

nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển

đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT

(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên

độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.

Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ

song song về nối tiếp.

1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp



5



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



Hình 1.8 Bộ S/P và P/S

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy

giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối

tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân

phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng

mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp - song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu

cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu

từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Khi truyền dẫn OFDM trong mơi trường đa đường (multipath), fading chọn

lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra

lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo

trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song

song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu.

1.4.1 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ



6



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



Hình 1.9 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ

Sau khi được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế

BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Dòng symbol b bit trên mỗi nhánh sẽ được

đưa vào bộ ánh xạ để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương

ứng một trong M = 2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao.

1.4.3 Bộ IFFT và FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật

điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng

mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,

một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn

thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải

quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay

thế tồn bộ các bộ tạo dao động 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

đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện

phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).

Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f

Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

,



(1.4)

=



trong đó:

7



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



là tín hiệu băng gốc.

Ở băng gốc :

+ Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s/N, tức là chọn N mẫu trong một

chu kỳ tín hiệu, phương trình xa(t) được viết lại như sau :

(1.5)

+ Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ

trực giao với nhau, lúc này, phương trình (1.5) được viết lại :

(1.6)

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc

cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu .

Thật vậy, ta có :



= =



(1.7)



Ở đây, hàm là hàm xung delta, được định nghĩa là :

1.4.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM (CP)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM

thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều

chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với

OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được

giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI

tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng

bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký

hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích

thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng

8



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đi nhau tạo

thành một tín hiệu liên tục, khơng có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép

đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một

khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.



Hình 1.10 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T G độ dài của khoảng

bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:

Ts = TFFT + TG



(1.8)



Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài

ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu.

1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM

Sau khi đã được mã hóa và xáo trộn bit, các dòng bit trên các nhánh sẽ được

điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được

sắp xếp thành các nhóm có N bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương

pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế

được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra .

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do đó, điều

chế trong OFDM là các q trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc

hiệu suất sử dụng băng thơng kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ

vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3}

cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.

9



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



M

2

4

16

64



Dạng điều chế

BPSK

QPSK

16-QAM

64-QAM



an, bn

1

1

1 , 3

1 , 3 , 5 , 7



Bảng 1.1 Các kỹ thuật điều chế tín hiệu

Mơ hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ

truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.

1.4.5.1 Điều chế BPSK

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 :

(1.9)

Hay:

(1.10)

Trong đó,



Tb



: Độ rộng của 1 bit



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 khơng đổi từ 0 đến 2π và khơng



ảnh hưởng đến q 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:

Khi đó,

(1.11)



10



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



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

hai điểm bản tin (M=2) : S1 = , S2 = -như hình sau:



Hình 1.11 Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu

Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo cơng

thức sau:

(1.12)

Trong đó :

Eb : Năng lượng bit

N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng

1.4.5.2 Điều chế QPSK

Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn.

Cơng thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:

(1.13)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

(1.14)

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:

(1.15)

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

(1.16a)

(1.16b)

Khi đó,

(1.17)

11



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



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

(1.18)

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK

trong tín hiệu khơng gian được cho trong bảng sau:

Cặp bit



Pha của tín hiệu



Điểm tín hiệu



vào



QPSK



Si



00



Tọa độ các điểm bản tin







S1



01



3

4



S2



11



5

4



S3



10



7

4



S4



Bảng 1.2 Các giá trị trong mã hóa QPSK

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai

chiều và bốn bản tin như hình vẽ.



Hình 1.12 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào , còn logic '0' thì biến đổi vào . Vì

cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai mức tương ứng

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

1.4.5.3 Điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp

với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao khơng đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại

12



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



này và để cho các thành phần đồng pha và vng pha có thể độc lập với nhau thì ta

được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang

QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên

độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.

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

sau:

(1.19)

Trong đó,

E0



: năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất



ai , bi : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vng góc được điều chế bởi một

tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vng góc".

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở :

(1.20)

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit

đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình

sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3

bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5) biểu thị cho

giá trị của Q :

b0 b1 b2



I



b3 b4 b5



Q



000

001

011

010

110

111

101

100



-7

-5

-3

-1

1

3

5

7



000

001

011

010

110

111

101

100



-7

-5

-3

-1

1

3

5

7



13



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



Bảng 1.3 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM



Hình 1.13 Giản đồ chòm sao cho tín hiệu 64-QAM

1.5



Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM



1.5.1 Sự suy hao

Suy hao là sự suy giảm cơng suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm

khác. Nó là kết quả ảnh hưởng chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng

đa đường. Để giải quyết vấn đề này phía phát thường được đưa lên càng cao càng

tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Tốc độ thay đổi cơng suất tín hiệu chậm. Phương

trình tính cơng suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách R :

(1.21)

Trong đó :

PR : Cơng suất tín hiệu thu được (W)

PT : Công suất phát (W)

GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

GT : Độ lợi anten phát

λ : Bước sóng của sóng mang

1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian

14



Chương 1 : Kĩ thuật OFDM



Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng

thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu

Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt

mang điện gây ra – là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động

đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất

lớn, hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể coi là nhiễu Gaussian trắng

cộng tác động trên từng kênh con riêng lẻ vì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa

mãn điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.

1.5.3 Fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại Fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường

(Multipath) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi

tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy

giảm cơng suất tín hiệu rõ rệt trong khoảng cách ngắn (tại các bước sóng): 10 – 30

dB.

Trong mơi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do

sự thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín

hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau dẫn đến trễ lan truyền) .



Hình 1.14 Các tín hiệu đa đường

Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của

các sóng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần



15



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×