ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ OFDM LỜI MỞ ĐẦU OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ASDL, các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R. W. Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tầm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử. Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được dùng làm chuẩn trong các hệ thống phát thanh số ở châu Âu. Kỹ thuật này đang được đề nghị đưa vào ứng dụng ở Mỹ cũng như nghiên cứu để phát triển trong lĩnh vực truyền hình số. Bản báo cáo này sẽ giới thiệu về nguyên lý, mô hình toán học và những đặc điểm cơ bản trong kỹ thuật OFDM và cách mô phỏng phương pháp điều chế OFDM sử dụng matlab. MỤC LỤC I. Giới thiệu về OFDM: 1. Lịch sử phát triển Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng 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 liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó. Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. 2. Tổng quan về OFDM: OFDM (là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) có thể được tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. Kỹ thuật này được đưa ra vào khoảng giữa những năm 60 chứ không phải là mới mẻ. Tuy nhiên, do độ phức tạp trong tính toán của nó nên mãi đến rất gần đây nó mới được áp dụng trong các ứng dụng dân dụng. Trước đó, chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng quốc phòng của bộ Quốc Phòng Mỹ. Một trong những vấn đề rất phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao qua một kênh có băng thông rất rộng là vấn đề chọn lọc tần số. Một kênh chọn lọc tần số là một trong đó các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau (cả về biên độ và mức độ phi tuyến) cho nên tín hiệu phía thu bị méo rất nặng và dẫn đến việc khôi phục tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn. 2.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM: a. Phương pháp điều chế đơn sóng mang: Hình 1.2.1 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi tín hiệu có độ dài là: T sc= 1/B Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽrất nhỏ. Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau: - Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu. Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến: 1. Gaussian Noise 2. Interchannel Interference 3. Co-channel Interference 4. Inter-symbol Interference 5. Multiple Access Interference - Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống. Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số. - Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp. Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên. b. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM: Hình 1.2.1b Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang Hình 1.2.1b Hệ thống đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau. Chi tiết của phương pháp này xem ở hình 1.2.1b Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tìn hiệu của hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song. Vì vậy đọ dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang : Ts=1/Fs=Ts.Nc PT(2.2) Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường). Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với các phương pháp điều chế đơn sóng mang là: - Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm. - Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều phần ( Băng thông giảm-> B<Bc dẫn đến kênh ít phụ thuộc vào tn số). - Từ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm. Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau: - Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity). Điều này được biết đến là do đọ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên (T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian). Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu. Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự dụng phổ.Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang nên người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau. c. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ADSL, các kỹ thuật này thường đượcc nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. OFDM tạo ra lưới theo thời gian và tần số. Mỗi hình chữ nhật là một kênh độc lập và có thể cấp cho những người sử dụng khác nhau. Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng CP. Nếu sử dụng các biện phápxen rẽ và mã hoá kênh thích hợp thì sẽ có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần. Trên thực tế, quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế trong OFDM được đảm bảo nhờ sử dụng phép biến đổi FFT. Nếu sử dụng kết hợp với phép điều chế vi sai thì không phải thực hiện trong quá trình ước lượng kênh. Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. Hình (1) mô tả nguyên lý của quá trình tạo một ký hiệu OFDM. Tất cả các thao tác trong miền được đóng khung đều có thể được thay thế bằng phép biến đổi IDFT. Hình 1. Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM Các sóng mang f n(t) là các sóng hình sin có thể được biểu diễn dưới dạng luỹthừa như sau : Tần sốcủa các sóng mang hơn kém nhau một khoảng W/N Hz, trong đó W là độ rộng dải tần. Mỗi sóng mang được nhân với một giá trị phức xn,m lấy từ dữ liệu đầu vào; chỉ số dưới n tương ứng với chỉ số của sóng mang, và m là chỉ số của toàn bộ ký hiệu OFDM (còn gọi là khung OFDM). Mỗi tín hiệu sm(t) tương ứng với một điểm trong không gian Euclid N-chiều gọi là không gian tín hiệu, mỗi điểm được biểu diễn bởi một bộ các giá trị (xm,0, xm,1, , xm,N-1). Một tập hợp M điểm trong không gian N-chiều này được gọi là chùm tín hiệu (signal constellation). Các điểm nằm trong chùm tín hiệu này có thể là đầu ra sau khi thực hiện phép điều chế M-trị bất kỳ. Trong trường hợp thực hiện truyền tín hiệu liên tục, m là một số nguyên m lẻ. Các kết quả có được sau khi thực hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽlà dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi qua kênh. Hình 2. Dạng sóng của một ký hiệu OFDM Như vậy, chuỗi vô hạn các ký hiệu OFDM có thể được biểu diễn: Do f n(t) là một xung vuông được điều chế tại tần số sóng mang kW/N (Hz), nên kỹthuật OFDM thường được coi như là có N sóng mang, trên mỗi sóng mang ký hiệu được truyền đi với tốc độthấp hơn ROFDM = Rs/N. Chú ý rằng tốc độ ký hiệu của mỗi kênh con là tốc độ truyền các ký hiệu (hoặc các khung) OFDM. Tính trực giao và dải bảo vệ. Ðiểm mấu chốt nhằm có được hiệu quảsửdụng dải tần cao là tính trực giao của các sóng mang. Trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông [...]... 1.2 Kết quả mô phỏng: Tín hiệu OFDM Tín hiệu trong miền thời gian và Phổ của tín hiệu sau khi điều chế OFDM 2.1 Sử dụng Simulink: Khối IQ mapper: Khối điều chế OFDM: 2.2 Kết quả mô phỏng bằng simulink: Phổ của tín hiệu sau điều chế OFDM Biểu đồ chòm sao của tín hiệu sau điều chế 64-QAM Gồm 64 điểm đối xứng nhau qua 2 trục I và Q III Kết luận: Khả năng hoạt động trong các điều kiện bị che chắn là yếu... dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi ký hiệu OFDM gần như tuần hoàn, đã giúp thực hiện phép chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh Ưu điểm thứ hai của việc ứng dụng DFT là phép biến đổi này có thể được thực hiện khá đơn giản và rẻ tiền bằng cách sử dụng FFT Hình 5 Sơ đồ khối các quá trình điều chế, giải điều chế OFDM sửdụng FFT Hình (5) là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM có sử dụng mã sửa sai, phép IFFT... sóng mang trong kỹ thuật OFDM, nhưng cách hoạt động của các dải bảo vệ này khác hẳn với kỹ thuật FDM thông thường Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộgiải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một chu kỳ ký hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu Sơ đồ nguyên lý của quá trình giải điều chế một ký hiệu trong kỹ thuật OFDM được mô tả trong... Fourier rời rạc (DFT) Các phương thức để phân tách các sóng mang trong kỹ thuật OFDM đã được tìm hiểu và đánh giá trong suốt quá trình phát triển của nó Hai phương thức ban đầu sử dụng các bộ lọc để phân tách các dải, và đã gặp phải nhiều khó khăn trong việc thực thi các bộlọc có dải sườn dốc Phương thức thứ ba được Weinstein và Ebert giới thiệu, là phương thức sử dụng các biện pháp xửlý ở băng gốc, khi... là rất quan trọng với mỗi sinh viên điện tử viễn thông, và việc mô phỏng quá trình điều chế OFDM bằng matlab đã giúp chúng ta rất nhiều trong việc hiểu và vận dụng công nghệ OFDM Cuối cùng xin cảm ơn thầy: Nguyễn Hữu Trung vì đã giúp chúng em hiểu rõ công nghệ OFDM nói riêng và học tốt môn Thông tin số nói chung IV Tài liệu tham khảo: - Google.com vi.wikipedia.org ... cả máy phát và máy thu đều có thể được thực thi bằng cách sửdụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể được viết dưới dạng: trong đó, xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang con thức trong ký hiệu OFDM thức và khác 0 trên chu kỳ thời gian (m-1) < t < m , trong đó là chu kỳ ký hiệu Ðiều này cho phép chúng ta có thểviết lại phương trình (2) dưới... này vào một số sản phẩm của hãng như BreezeAccess OFDM, BreezeACCESS VL,vv… nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm trong các điều kiện bị che chắn! Sự kết hợp công nghệ modem OFDM và điều chế thích nghi linh hoạt chỉ có trong thị trường... giải điều chế OFDM sửdụng FFT Hình (5) là sơ đồ khối của một hệ thống OFDM có sử dụng mã sửa sai, phép IFFT được sử dụng để thực hiện các thao tác điều chế như trong hình (1) Dữ liệu đầu vào sẽ được ánh xạ thành các bộN-phần tử bằng cách sửdụng bất cứ phép điều chế M-trị thông thường nào Sau đó, các thành phần thực và ảo sẽ được tách ra và được mã hoá chập riêng biệt (thông thường là mã chập có hệ số tỉ... Sau khi thêm CP vào ký hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ được phát đi qua kênh fading nhiều đường, đồng thời nó cũng chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng cộng sinh AWGN Tại máy thu, sau khi loại bỏ CP khỏi ký hiệu OFDM, người ta thực hiện cân bằng và biến đổi FFT Tín hiệu miền thời gian thu được sau đó sẽ được giải xen rẽ, giải mã sửa sai theo thuật toán Viterbi và cuối cùng được giải điều chế M-trị để trở thành luồng... nghệ OFDM: Sơ đồ khối OFDM trong hệ thống viễn thông: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản Các nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều . khăn. 2.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM: a. Phương pháp điều chế đơn sóng mang: Hình 1.2.1 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian Trong phương pháp điều chế đơn sóng. ưu điểm của điều chế đa sóng mang nên người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau. c. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: Công nghệ OFDM nằm trong. ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ OFDM LỜI MỞ ĐẦU OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn