Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang ii
LỜI MỞ ĐẦU
Những năm đầu của thế kỷ XXI, được coi là kỷ nguyên của ngành công nghệ
thông tin, ngành công nghệ thông tin phát triển một cách vượt bậc trên toàn cầu. Các
nước tiên tiến đã đưa công nghệ thông tin thành một ngành mũi nhọn cho nền kinh tế
của mình.
Một trong những phát minh mà đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế
giới và chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế cũng như xã hội là công nghệ xDSL.
Công nghệ xDSL ra đời đã đáp ứng cho việc xử lý thông tin một cách chính xác,
thuận lợi và nhanh chóng.
Cuộc thâm nhập mạng thông tin toàn cầu internet của Việt Nam đã được bắt đầu
từ năm 1997. Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam đã quyết tâm xây dựng
một mạng lưới viễn thông hiện đại trong đó đặc biệt ưu tiên cho phát triển internet
và ADSL là một trong những công nghệ được lựa chọn để phát triển.
ADSL là một công nghệ cho phép truy nhập tốc độ cao qua mạch vòng thuê bao
cáp đồng truyền thống, nếu so với các công nghệ truy nhập tiên tiến khác thì đây là
một công nghệ khá đơn giản và tiết kiệm. ADSL sử dụng kỹ thuật truyền thông tin
bất đối xứng, nghĩa là tốc độ của đường hướng xuống và hướng lên là khác nhau. Do
nhu cầu của người sử dụng là down dữ liệu về nhiều hơn so với up dữ liệu lên đường
mạng, chính vì vậy kỹ thuật ADSL cấp băng thông không đối xứng cho hướng lên và
hướng xuống nhằm tăng tốc độ đường truyền và không vị lãng phí băng thông. Đồng
thời kỹ thuật điều chế chính của ADSL là DMT (Discrete Multitone Modulation-
điều chế đa tần rời rạc) đã giúp cho đường truyền có thể sử dụng tối ưu các băng
thông, tăng tốc độ truyền dữ liệu và khả năng chống nhiễu tốt. DMT là một kỹ thuật
điều chế dựa vào nguyên lý của OFDM (điều chế tần số trực giao).
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang iii
MỤC LỤC iv
LIỆT KÊ HÌNH viii
LIỆT KÊ BẢNG x
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT xi
PHẦN B: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chung 3
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 4
1.3 Tính trực giao 6
1.3.1 Tính trực giao trong miền tần số 9
1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 14
1.4 Thông lượng kênh 15
1.4.1 Thông lượng kênh theo Shannon. 15
1.4.2 Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM. 16
1.5 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 17
1.5.1 Ưu điểm 17
1.5.2 Nhược điểm 17
CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG KỸ THUẬT OFDM
2.1 Giới thiệu chương 20
2.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM 20
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang v 2.2.1 Nhận biết khung. 21
2.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số. 22
2.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 25
2.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM 28
2.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot 29
2.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 31
2.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 31
4.5.3 Các thành phần ADSL từ phía nhà cung cấp dịch vụ 63
4.6 Giao thức kết nối giữa modem và BAS 65
4.7 Mối tương quan giữa thoại và ADSL 66
CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT DMT TRONG ADSL
5.1 Giới thiệu chương 70
5.2 Kỹ thuật điều chế CAP 70
5.3 Kỹ thuật điều chế QAM 71
5.3.1 Điều chế QAM 71
5.3.2 Giải điều chế QAM 72
5.3.3 Tập hợp vector điểm điều chế 73
5.4 Kỹ thuật điều chế DMT 74
5.4.1 Điều chế đa tải tin 75
5.4.2 Điều chế đa tần rời rạc DMT 77
5.4.3 DMT và DFT 79
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang vii 5.4.4 Hệ thống DMT và các tham số của nó 81
5.4.5 Cân bằng cho DMT 82
5.4.6 Máy phát DMT 83
5.4.7 Máy thu DMT 83
CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG
6.1 Giới thiệu chương 86
6.2 Mô hình đơn giản của hệ thống 86
6.3 Lưu đồ thuật toán mô phỏng 87
6.4 Sơ đồ các khối bên trong máy phát 88
6.5 Sơ đồ các khối bên trong máy thu 88
6.6 Kết quả mô phỏng 89
6.6.1 Chương trình mô phỏng với dữ liệu ngẫu nhiên 90
6.6.2 Mô phỏng với dữ liệu vào là hình ảnh 96
Hình 3.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz) 42
Hình 3.4: Trải trễ đa đường 44
Hình 3.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM 47
Hình 3.6: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ. 49
Hình 3.7: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông 50
Hình 4.1: Tốc độ Upstream và Downstream của ADSL 56
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang ix Hình 4.2 Thoại cơ bản sử dụng dải tần số từ 300 Hz tới 3,400 Hz. 59
Hình 4.3 Dải phổ tần của ADSL 60
Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống cơ bản của ADSL 61
Hình 4.5: Modem ADSL 63
Hình 4.6: Thành phần ADSL tu phía nhà cung cấp 64
Hình 4.7: Nhiều modem ADSL nối đến DSLAM của nhà cung cấp dịch vụ 65
Hình 4.8: Giao thức kết nối giữa Modem và BAS 66
Hình 4.9: Tần số dùng cho thoại và cho internet 67
Hình 4.10: Thiết bị Splitters trên mạng 67
Hình 5.1: Sơ đồ điều chế CAP 70
Hình 5.2 : Mô hình điều chế QAM 71
Hình 5.3: Mô hình giải điều chế QAM 72
Hình 5.4: Tập hợp điểm vector điều chế 74
Hình 5.5: Phổ công suất của một tín hiệu đa sóng mang 77
Hình 5.6: Tín hiệu DMT được tạo từ QAM 77
Hình 5.7: Nguyên lý của DMT sử dụng DFT 80
Hình 5.8: Sơ đồ phát DMT 81
Hình 6.1: Mô hình hệ thống OFDM 86
Hình 6.2: Lưu đồ thuật toán mô phỏng OFDM 87
Hình 6.3: Sơ đồ các khối bên trong của máy phát 88
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
ADSL Asymetrical Digital Subscriber Line Đường dây bất đối xứng
ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng
BAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
CAP Carrierless Amplitude/Phase Modulation Điều chế biên độ/pha không sóng
mang
CO Central Office Tổng đài nội hạt
CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng
DFE Decision Feedback Equalizer Bộ cân bằng phản hồi quyết định
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DMT Discrete Multi-Tone Modulation Điều chế đa tần rời rạc
DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số
EOC Embedded Operation Channel Kênh vận hành nhúng
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourrier nhanh
FIR Finite Impule Response Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn
HDSL High bit rate Digital subscriber line Đường dây thuê bao số tốc độ cao
ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự
ISP Internet Service Provide Nhà cung cấp dịch vụ Internet
MCM MultiCarrier Modulation Điều chế đa sóng mang
PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm -điểm
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương
RF Radio Frequency Tần số Radio
VDSL Very High Data Rate DSL DSL có tốc độ bit rất cao
IDSL ISDN DSL Đường dây thuê bao số đa dịch vụ
DSLAM DSL Access Mutiplexor Bộ dồn kênh truy nhập đường thuê
bao số
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ
KỸ THUẬT OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 3
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM
1.1 Giới thiệu chung
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử
dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.
Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia
nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được
truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. Kỹ thuật OFDM là một phương thức
điều chế hấp dẫn cho các kênh truyền có đáp tuyến tần số không phẳng, kỹ thuật
OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực
giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên
nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh
cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và
giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu.
Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng
việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ
gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số
(DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho
mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một
cách đáng kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống
không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX), phát quảng bá âm
thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV).
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi
thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một
sóng mang phụ khác nhau. Các sóng mang phụ này là trực giao với nhau, điều này
được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng thời
symbol tăng lên cho các sóng mang phụ song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng
nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 5
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM
hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi
symbol kí tự OFDM. Hình 1.2 so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM)
và đa sóng mang (MCM).
Giả sử B
SCM
và B
MCM
SC
N
k
kk
MCMMCM
SCMSCM
tfFtfH
tfStfHtfR
tfStfHtfR
1
);();(
);();();(
);();();(
(1.2)
Trong đó S
SCM
(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và H
k
(f;t) là hàm truyền
tương ứng với dải tần B
k
.
Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của H
k
(f;t) được xem như là
không đổi trên B
k
, vì vậy R
MCM
(f;t) xấp xỉ bằng:
lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau 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 và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm
giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
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 không có
sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao
về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm 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 tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống
tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích
phân cho 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/T. Bất kì sự phi tuyến
nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực
chuẩn (Orthogonal basic)
{
}
1,0/)(
=
Φ
it
i
có tính chất sau:
0
) và tích của 2 vector là bằng 0.
Hình 1.1: Mô hình trực giao
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng “0”. Ví dụ
giá trị trung bình của hàm sine dưới đây (Hình 1.2).
Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sine như dưới đây ta sẽ có
kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới
dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
sin
(
!"
)
#$
%&'
(
=0 (1.5)
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sine có tần số khác nhau
thì quá trình này cũng bằng 0
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 8
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Hình 1.2:
Tích phân của hai sóng sine khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sine. Nó cho thấy rằng miễn là hai
điểm “không” cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực
giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm “không” của các sóng
mang khác về mặt tần số. Hình 1.4 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi sóng mang phụ tương ứng với
các giá trị “không” của tất cả các sóng mang phụ khác. Khi tín hiệu này được tách
bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.4a, mà là những
mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị “không” trong hình vẽ. Nếu DFT
được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các sóng mang phụ
không ảnh hưởng tới bộ thu do đó có tính trực giao giữa các sóng mang phụ.
Hình 1.4:
Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ
(a) Mô tả phổ của mỗi sóng mang phụ
(b) Đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang phụ (đường in đậm)
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 11
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM
1.3.2 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM
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 con, ta cần một máy phát sóng sine,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con 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 toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, 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.
≤
≤
0
(1.6)
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 (1.6) được viết lại như sau :
∑
−
=
∆Π
==
1
0
/2
)()()(
N
k
NfTnkj
s
N
n
aa
s
ekXTxnx
(1.7)
Nếu thỏa mãn điều kiện
1
=
Π
(1.8)
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 :
Nnkj
N
n
a
enxnDFTkX
/2
1
0
a
*
)(})({x)(
Π−
−
=
∑
==
∑∑
−
=
−
=
−Π
1
0
1
/)(2
1
)()()(
N
m
N
n
N
m
N
Nkmnj
N
kmNmXemX δ
=
∑
−
=
−
1
0
)()(
N
m
kmmX δ
=
)(kX
m
l
s
m
≠=
∫
,0
0
ωω
(1.10)
Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật
OFDM mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các
sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/T
s
). Hình 1.5
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 13
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM
cũng chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh
từ những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà
không có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao
giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự
đồng bộ trong hệ thống.
• Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật
OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của
hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.
• Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM
khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh
Hình 1.5: Phổ của tín hiệu OFDM
Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 14
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM
1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến
mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến
tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực
hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu
kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng
thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ,
thời gian truyền một ký tự (T
s
) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T
g
) và thời
gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi
một ký tự).
Ta có T
s
= T
g
+ T
FFT T
s
Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1
k
là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k.
T
k
là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian.
m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường.
Tiền tố lặp CP có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả
năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.
Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố
cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép
và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI
và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì khi sử dụng thêm hậu tố sẽ
làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải
lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài
của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.
1.4 Thông lượng kênh
Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được
qua kênh mà không xảy ra lỗi. Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng
tần của kênh và tác động của các loại nhiễu.
1.4.1 Thông lượng kênh theo Shannon.
Copyright: Tài liệu đại học ©