www.4tech.com.vn MỤC LỤC
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM…………………… 1
1.1 Giới thiệu chương: ………………………………………………………………… 1
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM:
……………………………………………… 1
1.3 Đơn sóng mang:
………………………………………………………………… 6
1.4 Đa sóng mang:
…………………………………………………………………… 6
1.5 Sự trực giao:
………………………………………………………………………8
1.5.1 Trực giao miền tần số:
………………………………………………… .9
1.5.2 Mô tả toán học OFDM:
………………………………………………… 10
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM:
…………………………………………….15
1.6.1 Điều chế BPSK:
…………………………………………………………. 16
1.6.2 Điều chế QPSK:
…………………………………………………………. 17
1.6.3 Điều chế QAM:
………………………………………………………… 19
1.6.4 Mã Gray: 20
1.7 Các đặc tính của OFDM:
.……………………………………………………… 23
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số:………………………………………. .43
3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân:…………………………………… 43
3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên:……………………………………… 45
3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư:……………………………………………… 46
3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM:………………………………………………… 48
3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot:……………………………….49
3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP:…………………………………………… 50
3.3.3 Đồng bộ ký tự d
ựa trên mã đồng bộ khung (FSC):………………… .51
3.3.3.1 Nhận biết FSC:…………………………………………………. .52
3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1:…………………………………… 53
3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2:…………………………………… 54
3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM:……………………………………….55
www.4tech.com.vn
3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu:………………………………………………. 55
3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang:……………………………………………56
3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot: .56
3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP:……………………… 56
3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu:………………………………. 57
3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM:………………… 58
3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian:…………………………………59
3.5.2 Ả
nh hưởng của lỗi đồng bộ tần số:…………………………………….60
3.6 Kết luận chương:…………………………………………………………… 61
Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……. 62
4.1 Giới thiệu chương:…………………………………………………………… 62
4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink: ………… 62
D
DC Direct Current (0 Hz)
DFT Discrete Fourier Transform
DPLL Digital Phase Look Loop
DS-CDMA Direct Sequence CDMA
DSP Digital Signal Processor
DVB Digital Video Broadcasting
F
FDM Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correcting
FFT Fast Fourier Transform
FIR Finite Impulse Response (digital filter)
FM Frequency Modulation
FOE Frequency Offset Estimation
FSC Frame Synchronization Code
FSK Frequency Shift Keying
Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn
G
GI Guard Interval
I
ICI InterChannel Interference
ICI InterCarrier Interference
ISI InterSymbol Interference
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers
IFFT Inverse FFT
IMD Inter-Modulation Distortion
ISI InterSymbol Interference
O
1.2 Các nguyên lý cơ bản c
ủa OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con 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 hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào m
ột khoảng
thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi
symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế
đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,
ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thu
ật đa sóng
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 liệ
u trên mỗi sóng mang
tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 2
g
man
g
chồn
g
x
un
g
(
b
)
.
Ch.1 Ch.10
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 3
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. Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Y(k)
AWG
N Sắp
xếp
S/P
P/S
IDFT
DFT
Chèn
pilot
Ước
lượng
kênh
Chèn dải
bảo vệ
Loại bỏ
dải bảo
vệ
Sắp
xếp
lại
Kênh
+
P/S
S/P
Dữ
liệu
Serial to
Parallel
convertor
Modulation at f
0
Modulation at f
1
Modulation at f
N
-1
S
0
S
0
, S
1
, …, S
N-1
Serial data
stream
Parallel to
f
Δ
2
fΔ
f
0
=1/T
f
1
=2/T f
N-1
=N/T
H
ình 1.4: Sắ
p
xế
p
tần số tron
g
h
ệ
thốn
g
OFDM
S
N-1
f
2
=3/T
Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM .[2] Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 6
1.3 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 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
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 liệ
u.
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.
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không 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
thông 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 khôi phục dữ
liệu có ích.
)(
LNlTtπkj
l
N-
k
l,k
s
ea
N
tS
+−
=
∑∑
=
Trong đó, a
l,k
: 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
s
NTT
11
=Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period)
là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau
xuống mức DC, tín hiệu nh
ận 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 τ, 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/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các
sóng mang ICI cũng làm m
ất đi tính trực giao. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 9
Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại
dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (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 không bị xuyên 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 ph
ải bằng việc lọc dải thông mà bằng
việc xử lý băng tần gốc.
1.5.1 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
=
Φ+
=
1
0
)(
).(
1
)(
N
n
ttj
cs
cn
etA
N
tS
ω
(1.1)
Trong đó, ω = ω
0
+ n.
Δ
ω
N ếu 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 công thức:
()
[]
∑
−
Φ
=
1
0
)(
.
1
)(
N
n
kTnj
j
ns
eeA
N
kTS
n
ω
(1.3)
So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
∑
−
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo toàn 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:
)exp()( tjt
kk
ω
=
Ψt
k
k
πωω
2
0
==
(1.5)
N ếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong
biểu thức (1.1):
[]
∫∫
−==ΨΨ
−
b
a
tqpj
b
phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có
can nhiễu. N hững 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 thông 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 t
ương 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.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 12
Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T
cp
. Lúc này tín hiệu
được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:
∑
−
=
Φ=
1
0
)(.)(
N
k
kk
CP
k
e
TT
A
1
2
1
π
−
−
=
Do đó,
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
∉
∈
−=
−
),0[0
),0[
1
)(
)(2
1
Tt
( CP)
Phần hữu ích của tín hiệu
T
cp
T
T
g
= N /W
Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 13
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing). N guyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo
định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau
(tạ
o thành góc 90
o
) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm chính ở đây là nhân hai
tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.
Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0
Hàm số thông thường có giá trị bằng 0.
Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:
∫
π
quá trình điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền
tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT).
N hiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao. Từ phân
tích trên, ta có thể rút ra kết lu
ận:
•
Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do
vậy ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.
•
Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh
can nhiễu giữa các sóng mang. Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng
các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn
không gây can nhiễu.
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều
chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc
hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào
M và số phức d
n
= a
n
+ b
n
ở ngõ ra. Các kí tự a
n
, b
n
có thể được chọn là {± 1,±3}
,
7
±Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ
truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 16
1.6.1 Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s
1
(t), s
2
(t) được sử dụng
để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7]
])(2cos[
2
)(
θθπ
++= ttf
T
E
tS
c
b
b
E
tStf
T
E
tS
c
b
b
c
b
b
(1.11)
Trong đó, T
b
: Độ rộng của 1bit
E
b
: N ăng lượng của 1 bit
θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế
θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không
ảnh hưởng đến quá 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 180
0
như trên được gọi là các tín hiệu
đối cực.
N ếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
bc
b
b
E
như hình sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 17
Hình 1.15 : Biểu đồ không 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 công
thức sau:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
0
2
N
E
QP
b
e
0
0
))(2cos(.
2
)(
θθπ
(1.14)
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
4
)12()(
π
θ
−= it (1.15)
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T
= 2.T
b
(T
b
: 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:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 18
π
π
(1.16)
Chọn các hàm năng lượng trực chuNn như sau:
Tttπf
T
tΦ
c
≤≤−= 0).2sin(
2
)(
1
(1.17a)
Tttπf
T
tΦ
c
≤≤= 0).2sin(
2
)(
2
(1.17b)
Khi đó,
]
4
)12cos[()(]
4
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
= i
s
s
iE
iE
s
i
i
i
π
π
(1.19)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:
Cặp bit
vào
Pha của tín hiệu
QPSK
Điểm tín hiệu
S
i
E
−
11
5
4
π
S
3
2
E
−
2
E
−
10
7
4
π
S
4
2
E
−
)0();2sin(
2
)2cos(
2
)(
00
1
Tttfb
T
E
tfa
T
E
tS
cici
≤≤−=
ππ
(1.20)
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 20
Trong đó,
E
0
: năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
a
i
1.6.4 Mã Gray.
Giản đồ IQ(Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền
cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một
vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các
điểm canh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu
tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ mộ
t lỗi symbol đơn.
Copyright: Tài liệu đại học ©