Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông kỹ thuật xử lý tín hiệu trong Wimax 2
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDMCHƯƠNG 2KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM. Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác.2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM2.1.1 Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 1 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDMchuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh.a) Tín hiệu OFDMb) Phổ OFDMHình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 2 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM2.1.2 Lịch sử phát triển:Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách nay hơn 40 năm:• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI.• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp. Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu.2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây :• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.• Cấu trúc máy thu đơn giản.SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 3 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ.• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.2.2 Nguyên lý điều chế OFDM2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau : Trong đó : Δf=T1 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian. Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 4( ) ( )∫+=⋅TttjissdttstsT*1k, i=j0, i≠j (2.1) (2.2) 0 , k kháce(j2пk∆ft) , k=1,2,….,NHình 1.10 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0Hình 2.3 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM2.2.2 Sơ đồ điều chế Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n ∈ { }LLLL ,1, .,1,0,1, .,1, −−+−−, nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào{ }la chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song{ }la lại được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mứcnkd,, n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát nkd, được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejLsωt , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau. SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 5Xung cơ sởXung cơ sởXung cơ sởXXX ejLsωt ejnsωt e- jLsωt{ }laLia+,nia,Lia−,Lkd+,nkd,Lkd−,m,(t)m(t) ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDMTín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau m’k(t)=∑+−=−LLmtjnksekTtSdω)(', (2.3) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là m(t)=)('tmkk∑∞−∞==∑∞−∞=k∑+−=−LLmtjnksekTtSdω)(', (2.4) Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. 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. Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp.2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu ta=B1=FFTN1=FFTSNT (2.5) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại : m’k(kTs+lta) = S0∑+−=+LLnltkTjnnkaSsed)(,ω =S0∑+−=LLnltjnkTjnnkaSSseedωω , (2.6) Do ωSkTS = 2ππkfkfSS21=, kết quả 1=SSkTjneωSVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 6 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM Tương tự như vậy, với FFTFFTSSaSNnljNffjnltjneeeππω212==, (2.6) được viết lại: m’k(kTs+lta)=S0∑+−=LLnNnljnkFFTedπ2, (2.7) Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT.2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 Phần tín hiệu có íchPhần tín hiệu có íchGI7 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDMchế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là:TG ≥τ MAX (2.8)với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh.a ) Không có GIb) Có GIHình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lượng là: GSSTTT+=η (2.9)SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 8 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG.Hình 2.7 Xung cơ bản Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise cosine filter).2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh H(jω,t) = ∫∞∞−−ττωτdethj),( (2.10) Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung:SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 S(t)TS-TGT09 ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDMHình 2.8 Mô hình kênh truyềnTrong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) = m(t) * h(t,τ) =ττττdtmthmaz∫−0)(),( (2.11) 2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế2.3.2.1 Sơ đồ Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếpSVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 h(τ,t) H(jω,t) m(t)10u(t)Giải điều chếGiải điều chếGiải điều chếXXX e- jLsωt ejnsωt ejLsωtLkd,^nkd,^Lkd−,^Lia,^nia,^Lia−,^u(t)la^ [...]... Chương 2: Kỹ thuật điều chế (k-1)T kT (k-1)TS t kTS Hình 2. 10 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)=u(kT+t) (2. 12) 2. 3 .2. 2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta Khi đó độ rộng một mẫu là : ta = Ts N FFT (2. 13) Sau... phần tín hiệu có ích) 2. 4 .2. 2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình • Sơ đồ: SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 15 ĐATN OFDM Chương 2: Kỹ thuật điều chế Hình 2. 13 Sơ đồ thu của DVB-H Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần: Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H Tín hiệu vào là tín hiệu. .. S t a = 2 ' k (kTS + nt a )e − jlωS kTS e − jlωS nta (2. 16) 1 , thì e − jlωS kTS = e − jlk 2 = 1 T 1 2 ta = nên (2. 16) viết lại: TS N FFT SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 11 ĐATN OFDM Chương 2: Kỹ thuật điều chế ^ d k ,l = 1 N FFT N FFT −1 ∑u n=0 ' k (kTS + nt a )e − j 2 n / N FFT ( 2. 17) Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT 2. 4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều... lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u’(t) => uk’(kTs + nta) , n=0,1 ,2, ,NFFT – 1 (2. 14) ^ Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế d k ,l được biểu diễn dưới dạng số: ^ d k ,l = ta TS N FFT −1 ∑u n=0 ' k (kTS + nt a )e − jlωS ( kTS + nt a ) (2. 15) Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2. 15) được viết lại dưới dạng: ^ d k ,l = ta TS N FFT −1 ∑u n=0 Với ωS = 2 Mặt... tàu hoả… 2. 4 .2 Các hệ thống DVB 2. 4 .2. 1 DVB-T • Giới thiệu : Thế hệ máy phát số ra đời khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự như khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đường và thu di động… Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống nhau, chỉ khác nhau phần điều chế Hình 2. 12 Sơ đồ khối bộ DVB-T • Đặc điểm : Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành... 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông 8MHz, một số nước khác chọn 7MHz) Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa: SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 14 ĐATN OFDM Chương 2: Kỹ thuật điều chế Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 15 12 Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot... Broadcasting for Handheld) và ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng kể 2. 4.1 Hệ thống DRM SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 12 ĐATN OFDM Chương 2: Kỹ thuật điều chế Phân tán năng lượng Mã hoá nguồn Dữ liệu Tiền mã hoá Mã hoá kênh... thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM; tuy nhiên, khả năng ứng dụng những kĩ thuật này cần được kiểm chứng trong tương lai SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 18 ĐATN OFDM Chương 2: Kỹ thuật điều chế Kết luận chương: Trong chương này đã trình bày... Stereo Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H DVB-H đang có những ưu thế vượt trội của mình: Tiết kiệm năng lượng Pin tới 90%, thu tín hiệu trong môi trường di động tốt, tín hiệu được đóng gói dạng IP và truyền tín hiệu dưới dạng quảng bá tới các máy điện thoại di động... Mbit/s 128 -384 Kbit/s chuẩn SDTV SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3 17 ĐATN OFDM 2 Màn hiển thị Chương 2: Kỹ thuật điều chế Màn hình TV cỡ trung bình và Màn hình điện lớn Anten trên mái nhà (anten 3 Anten Yagi), trong nhà (anten roi) hoặc anten trên ôtô 4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục Thu cố định, thu xách tay trong 5 Chế độ thu nhà và thu trên phương tiện giao thông thoại nhỏ Anten bên trong . 2: Kỹ thuật điều chế OFDMCHƯƠNG 2KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý. (2. 12) 2.3 .2. 2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được
