MỤC LỤC
Trang
BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không
đối xứng
AM Amplitude Modulation Điều biên
AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến
APR Access Point Repeater Bộ lặp điểm truy nhập
ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng
BER Bit Error Rate Tỷ lệ bít lỗi
Bps Bits per second Bit trên giây
BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
mã
CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh
CU Đơn vị dung lượng
DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá
DC Direct Current (0 Hz) Dòng điện một chiều
DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier ngược
DRM Digital Radio Mondiale Hệ thống phát thanh số
đường dài
DS-CDMA Direct Sequence Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã dãy trực tiếp
FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh
FIR Finite Impulse Response (digital
filter)
Bộ đáp ứng xung (lọc số)
FM Frequency Modulation Điều tần
Fs Sample Frequency Tần số lấy mẫu
FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần
GI Guard Interval Chuỗi bảo vệ
GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung
GSM Global System for Mobile
communications
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area
Network type 2
Mạng cục bộ máy tính
không dây
HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao
HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú
ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên kênh
IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tương hỗ
IF Intermediate Frequency Trung tần
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh
ngược Fourier
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên mẫu tín hiệu
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi
trường
MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu
MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động
thời gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
TRAU Transcoder Adapter Rate Unit Đơn vị thích ứng tốc độ mã
phát
UMTS Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống thông tin di động
cho tất cả moi người
VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích hợp mật độ cực
lớn
VLR Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú
W-CDMA Wide-band Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã băng rộng
WiMax Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hàng ngày hiện nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan
trọng không thể thiếu được. Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp con
người nhanh chóng nắm bắt các giá trị văn hóa, kinh tế, chính trị, khoa học kỹ
thuật…rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành
chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
góp ý của thầy cô và bạn bè.
Trong quá trình làm đồ án em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ thầy cô, bạn bè,
các anh chị lớp trên và gia đình. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm
ơn thầy hướng dẫn đồ án ThS. Nguyễn Văn Hào cùng các thầy cô trong Khoa Kỹ
Thuật & Công Nghệ - Trường Đại Học Quy Nhơn. Đồng thời, em cũng xin cảm ơn
các anh chị lớp trên đã tận tình giúp đỡ em cùng gia đình và bạn bè đã ủng hộ cả vật
chất lẫn tinh thần để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Quy Nhơn, ngày ….tháng….năm 2010
Sinh viên
Đặng Văn Nam
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương
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.
OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần
số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn
các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là
không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những
luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con
khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở
(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).
2
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 mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có
một số nguyên lần lặp trên một chu 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 mang phụ.
Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8)
1.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM
Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing
(FDM) truyền thống. OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều
tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn. Tuy nhiên, nó cho phép hiệu quả phổ
3
tốt hơn. OFDM khác với FDM 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 sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín
hiệu thông 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 tấn số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng
Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple
information signal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền
thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính
trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin
và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại
được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lặp với nhau nhưng tín
hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang
kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng
mang con: f
n
(t), n=0, 1, , N −1, t
1
≤ t ≤ t
2
. Tập sóng mang con này sẽ trực
giao khi:
Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM,
tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:
5
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,
tức biểu thức (1.4) luôn đúng.
Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m. Vì vậy,
nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng sẽ trực
giao với nhau trong khoảng t
2
− t
1
là bội số của T. OFDM đạt được tính trực
giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào
học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete
Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên
tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể
đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực
hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và
FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều
chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ
8
vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi d
i
là các chuỗi
dữ liệu QAM phức, N
S
là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và
f
C
là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t
s
có thể được viết như
sau:
Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:
Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần
cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin
và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu
OFDM sau cùng.
Hình 1.3 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM .
Hình 1.3: Bộ điều chế OFDM
9
Khi tín hiệu OFDM s(t) (1.6) ược truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ
thành phần tần số cao f
(N − 2)
phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có hiệu suất như vậy là do
biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến
khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song
song, được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ
trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian,
đưa lên tần số cao và truyền đi. Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ
được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là
biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số, sau đó
đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế.
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM
ISI ( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy
ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên
tín hiệu trước đó.
Hình 1.4: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu.
Chẳng hạn như ở hình 1.4, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection)
11
đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại. Khoảng
thời gian trễ (mức trải trễ) này tính như sau:
τ = ∆s/c
khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian
một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào. Trong các hệ thống đơn sóng
mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch
với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu
trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm
tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc
thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI.
Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng. Theo
đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền. Tuy
Chiều dài tổng cộng của symbol là T
s
= T
G
+ T
FFT
với T
s
là : chiều dài tổng cộng
của symbol, T
G
là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T
FFT
là khoảng thời thực
hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM.
Hình 1.5: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn
định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao
nhau. Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang
con sẽ không có dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị
phổ cực tiểu của sóng mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những
sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang
(ICI).
13
Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ
trong miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi
sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ
miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số
trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang
khác. Hình 1.6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho
15
thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát. Offset thời gian âm tương
ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần của
khoảng bảo vệ symbol.
ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo
vệ. Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhất
loại bỏ các búp sóng bên xuống thấp hơn -100dB trong giới hạn hai khoảng
cách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu. Khoảng bảo vệ trong thử nghiệm
này bằng 50% thời gian symbol toàn phần. Như vậy độ dài khoảng bảo vệ
bằng thời gian symbol có ích.
Hình 1.8: Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM
1.7.2. Ảnh hưởng của nhiễu tạp âm trắng AWGN (Additive White
Gaussian Noise) đến OFDM
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống thông tin trên kênh vật lý tương tự,
chẳng hạn như kênh radio. Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện
trong các bộ khuếch đại máy thu và các can nhiễu giữa tế bào thông tin.
Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết
quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI và
méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Các nguồn nhiễu này
làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống.
Trong tất cả các dạng nhiễu là nguyên nhân có hại chính trong hầu hết các hệ
16
thống thông tin vô tuyến. Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu
đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu
quả phổ hệ thống là rất quan trọng.
Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô
hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng AWGN, nhiễu này có
mật độ phổ điều (còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gauss về biên độ
(được xem như phân bố chuẩn hoặc đường cong hình vuông). Nhiễu nhiệt và
nhiễu điện do sự khuếch đại, chủ yếu có tính chất của nhiễu Gauss trắng, do
với tín hiệu OFDM ở máy thu, làm giảm SNR của hệ thống, thậm chí ngay cả
khi không có nguồn nhiễu khác. Các thành phần ngoài băng trải rộng tín hiệu
theo tần số, gây can nhiễu với các tín hiệu thông tin vô tuyến khác trong các
băng tần bên cạnh. Thậm chí nếu tín hiệu được hạn chế băng thông hoàn thiện
trước khi đưa tới bộ khuyếch đại công suất máy phát, mở rộng phổ sẽ xảy ra
nếu bộ khuyếch đại công suất, tuy nhiên sự giảm này là không nhiều vì các bộ
lọc băng thông hoạt động ở tần số RF thường có đặt tuyến không thật tốt.
Hình 1.9 : Ảnh hưởng của méo do 2 tín hiệu tone (gồm các hài và IDM)
Để giảm méo phi tuyến phải chọn điểm làm việc phù hợp trong đặc tuyến
vào ra của bộ khuyếch đại công suất back off OBO (Output power back off).
Trong truyền dẫn OFDM dùng điều chế QPSK OBO là khoảng 2-3 bB vì
QPSK là sơ đồ điều chế rất mạnh khoẻ, chống lại được ảnh hưởng của méo.
18
Copyright: Tài liệu đại học ©