NG DUNG TRONG THÔNG TIN vô TUYẾN
■ Un
u
Người hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
TR ƯỜNG ĐẠI HỌC1 VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGUYỄN TRỌNG THƯỞNG
===== ca =====
Lớp
49K - ĐTVT 1
Mã số sinh viên
• 0851080353 1
\u
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
^Đề tài:
NGHIÊN cúu KỸ THUẬT OFDM
NGHỆ AN -01/2013
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM...............................................................2
1.3. Đơn sóng mang............................................................................................5
1.4. Đa sóng mang.............................................................................................7
1.5. Sự trực giao..................................................................................................9
1.5.1. Trực giao miền tần số....................................................................... 10
1.5.2. Mô tả toán học OFDM..................................................................... 11
1.6. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM............................................................16
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 ưu, nhược điểm của OFDM.................................................................23
1.7.1. Ưu điểm.............................................................................................23
1.7.2. Nhược điểm......................................................................................23
1.8. Ket luận chương.........................................................................................24
CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.........................25
2.1. Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM................................25
2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation)................................................ 25
2.1.2. Hiệu úng đa đường..........................................................................25
2.1.6. Nhiễu xuyên sóng mang ICI.............................................................31
2.1.7. Tiền tổ lặp CP...................................................................................32
2.2. Khoảng bảo vệ...........................................................................................33
2.3. Giới hạn băng thông của OFDM................................................................34
2.3.1. Lọc băng thông................................................................................. 35
2.3.2. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR............................................... 36
2.3.3. Ánh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM...........37
2.4. Ket luận chương.........................................................................................37
CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM..............................38
4.1.1. Lưu đồ mô phỏng kênh truyền...........................................................59
4.1.2. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM........................................60
4.1.3. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM..........................................61
4.1.4. Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER.....................................................62
4.2. Ket quả chương trình mô phỏng................................................................64
4.2.1. So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM
(BPSK, ỌPSK, 16QAM, 64QAM)....................................................65
4.2.2. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink........................................67
4.2.3. So sánh tín hiệu ỌAM và OFDM......................................................71
4.2.4. So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM.......72
4.3. Kết luận chương.........................................................................................72
75
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.....................................................73
LỜI NÓI ĐẨU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điếm chính như: cho
phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng
hẹp, khả năng cho hiệu suất phố cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn
giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán
ĨFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn
thông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không
dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuấn truyền thông không dây di
động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng
OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phố biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng
trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để có thể áp
dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này.
Với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song
song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng
chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều
chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Do đó, OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi, các chuấn truyền thông không dây di động
sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Trong đồ án cũng đã trình bày mô
phỏng bằng phần mềm Matlab thế hiện những đặc tính cơ bản nối trội của OFDM
so với các phương pháp điều chế khác.
ABSTRACT
This thesis was studied orthogonal ữequency-division multiplexing (OFDM)
technique with its useíul applications. The purpose of the thesis is intended to
present general principles, structure, characteristics and synchronization in OFDM.
ĩt also mentions applications in radio communication System and its developments
in íuture. With advantages such as: high-speed data is transmitted in parallel with
the low-speed on the narrow-band, capable of high spectral efficiency, resistance to
írequency selective fading, modulation and demodulation are simple and efficient
by using IFFT and FFT algorithm. Thereíbre, OFDM technology is becoming more
widely accepted, the mobile wireless communication Standard will be used more in
the íiiture. In this thesis also presented simulation using Matlab software to present
the outstanding basic characteristics of OFDM compared with other modulation
methods.
DA NH MỤC CÁ
c BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Các kỳ thuật điều chế trong OFDM...........................................................16
số..............................................................15
Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu
BPSK.......................................................17
Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu
QPSK.......................................................19
Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM.............................................................................20
Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray,
mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đối một bit đơn........................................21
Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM.......................................22
Hình 2.1: Ánh hưởng của môi trường vô tuyến...........................................................25
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường........................................................................................26
Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyến (ở tần số 900MHz..............26
32
Hình 2.4: Trải trễ đa đường.........................................................................................28
Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ..............................34
Hình 2.8: Phố của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không
cóhạn chế băng............35
Hình 3.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM.................................................................38
Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai
tại các mức nguờng PAPR khác nhau.......................................................40
Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO
AM
Amplitude Modulation
Điều biên
ASK
Amplitude Shift Keying
Khóa dịch biên độ
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu tạp âm trắng Gaussian
BER
Bit Error
Rate4.16: Phổ tín hiệuDA
Tỷ
lệ bítCÁ
lồi c CHỮ VIẾT TẮ T
Hình
OFDM
NHnhận..........................................................................69
MỤC
CE...........................................................................70
Channel Impulse Response
Đáp ứng xung của kênh
Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tầnsố........................................71
Coded Orthogonal Frequency
Ghép kênh phân chia theo tần
Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số.............................................71
Division Multiplexing
số trực giao có mã số sửa sai
Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh
được
Cycle Preíix
Tiền tố
lặp điều chế
CP
Cyclic Postíĩx
Hậu tố lặp
DFT
Discrete Fourier Transíbrm
Phép biến đối Fourier
DSP
Digital Signal Processing
âm
Đa truy nhập phân chia theo
Access
tần số
FEC
Forward Error Correction
Sửa lỗi tiến
FFT
Fast Fourier Transíòrm
Phép biến đôi Fourier nhanh
FIR
FM
Finite
ĩmpulse
Response
Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp
ICI
ỈDFT
Inverse
Discrete
Fourier
Phép biến đổi Fourier ngược
IDM
Transíòrm
Inter-Modulation Distortion
Méo điều chế tưong hồ
IF
ĩntermediate Frequency
Trung tần
IFFT
ĩnverse Fast Fourier Transform
ỈSỈ
PGM
Phase Code Modulation
công suất trung bình
Điều chế xung mã
PM
Phase Modulation
Điều chế pha
PRS
Pseudo Random Sequence
Chuỗi giả ngẫu nhiên
p/s
Parallel to Serial
PSK
Phase Shift Keying
QAM
Ọuadrature
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
s/p
Serial to Parallel
SSB
Single Side Band
TDD
Time Division Duplexing
TDMA
Time Division Multiple Access
VOFDM
Vector Orthogonal Frequency
thời gian
Ghép kênh phân chia theo tần
Division Multiplexing
số trực giao vector
thời gian
ỈV-CDMA
w iMax
Đa truy nhập phân chia theo
CHƯƠNG 1 TỒNG QUÁN VÈ OFDM
Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của
OFDM. Các phương thức cơ bản, sự trực giao, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng
mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM như: BPSK, QPSK,
ỌAM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu, nhược điếm của hệ thống OFDM cũng
được trình bày ở đây.
1.1. Khải niệm về OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 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
5ii>carriers
Hình 1.1. Phổ của tín hiệu OFDM [1]
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta có
thê liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy
thành một dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra
thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thê dùng tay đê chặn dòng nước từ vòi nước
thông thường nhưng không thế làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứng
-------------►
Ch. 10
Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)
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 các dòng dữ liệu tốc độ
thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bô một cách trực giao.
Nhờ thực hiện biến đối 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 diêm. Trong phát thanh thông thường mồi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM đế duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mồi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết họp 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
(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 đế 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 kê khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phô.
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế đế ánh xạ tín
hiệu thông tin tạo thành dạng có thế 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 thông tin là
dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: FM
(Frequency Modulation- điều chế tần số), AM (Amplitude Modulation- điều chế
biên độ), PM (Phase Modulation- điều chế pha). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn
chung cho thông tin số gồm: ASK (Amplitude Shift Keying- khoá dịch biên độ),
FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoá
dịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc).
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 dừ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k
(bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phố 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 phố, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng
khả năng giao thoa sóng mang.
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt đế
bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không 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 khôi phục mà không giao thoa
Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]
1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier)
•iu o’
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền
song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thế
tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,... Đe làm được điều
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
thế chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đối
ĨDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều
chế, giải điều chế. HOTI nữa, ĨFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc
biến đôi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực
hiện phép biến đối 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:
___ N- 1
z z a '* e
S(t) =
j 2 TTk (t-lT, (N + L ))
1k=0
(1.1)
Trong đó, ai k : là dừ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k
trong Symbol OFDM thứ 1
N
: số sóng mang nhánh
L
" ề
Xr
* X —+thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ
thành
còn
hạn
chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá
s ề
S ề
'
X\ *
r
Sóng
Tt
\
m
X
\
mạch
tích
Các tín hiệu là trục giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là
một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (Multiple ĩníòrmation 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.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách
giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được
định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mồi sóng mang. Tuy nhiên,
có thế sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ
lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thế thu được chính xác mà không có sự can nhiễu
giữa các sóng mang. Đe 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 đế
phục hồi dữ liệu gốc. Neu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng
1.5.2. Mô tả toán học của OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của
máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
về mặt toán 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
ị N -1
(1.2)
Trong đó: 0) = Cừo + n. A 0)
Hình 1.11: Các sóng mang trực giao
Neu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy mẫu),
T = N.T
xử lý băng tần gốc.
Khi (Do = 0 thì ta có:
N -1
1.5. ĩ. Trực giao miền tầnịsố
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phố(1.4)
của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin
So sánh (1.4) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
(x)/x). Đó là kết quả thời gian Symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang.
Mồi Symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (T fft). Thời gian
Symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1 /T FFT Hz. Dạng sóng
hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần
Biểu thức (1.4) và (1.5) là tương đương nếu:
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
trực
A f =tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất(1
.6 )
NT T
=
j2^(p-q)/r = 0 khỉ p =q và (b-a) = T
(1.8)
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 thê xác định bằng phép biến đôi Fourier.
biếu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:
s(t) = £xk.<I>k(t)
(1.9)
k=0
Ớ đây Ok(t) tạo thành tập họp các hàm co sở trực giao.
ộk(
t) =
j 2 n kf 11
Ake
Một
biênwđộ/pha: 1
. sự, lựa chọn hợp lý cho
f
T
Luc nãy 5
I|
Do đó:
=
-pj2;rỊif'(t
ệỵ. (t) = V - CP
T
T
trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cúu
các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng
vuông góc với nhau và tích của hai vector là bằng 0. Điếm chính ở đây là nhân hai
tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.
▲
Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0
Copyright: Tài liệu đại học ©