Chương 1: Trình bày nguyên lý cơ bản của OFDM và những ƣu, khuyết điểm chính của kỹ thuật điều chế này. Chương 2: Đƣa ra khái niệm về độ lệch tần số, tìm hiểu các nguyên nhân gây ra độ lệch tần số và ảnh hƣởng của độ lệch tần số tới chất lƣợng hệ thống OFDM. Chương 3: Nghiên cứu ba phƣơng pháp khắc phục ảnh hƣởng của độ lệch tần số đó là: phƣơng pháp tự loại bỏ nhiễu ICI, phƣơng pháp ƣớc lƣợng gần giống nhất và phƣơng pháp lọc Kalman. Chương 4: Kết quả mô phỏng, so sánh và đánh giá các phƣơng pháp khắc phục ảnh hƣởng của độ lệch tần số đã đƣợc nghiên cứu trong luận văn.
Cuối cùng là kết luận luận, khuyến nghị và phụ lục. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 1: OFDM – NGUYÊN LÝ, ƢU KHUYẾT Chƣơng này sẽ giới thiệu tổng quan các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM, khái quát về các ứng dụng thực tế và trong tƣơng lai của kỹ thuật này. Tiếp theo là mô tả kiến trúc cơ bản của hệ thống OFDM và giải thích làm thế nào để khi chèn CP sẽ tránh đƣợc nhiễu giữa các ký hiệu liên tiếp trong sự hiện diện của các kênh tán xạ. Cuối cùng là áp dụng với hệ thống thực tế theo chuẩn IEEE 802.
Tổng quan Trong những năm gần đây, OFDM đƣợc đặc biệt quan tâm liên quan tới nhiều ứng dụng khác nhau, vì nó đảm bảo truyền tốc độ dữ liệu cao không bị tác động bởi sự tán xạ của kênh. Nhƣ đã biết nếu đáp ứng xung của kênh lớn hơn nhiều thời khoảng ký hiệu thì tín hiệu thu sẽ bị méo. Tuy nhiên, các ứng dụng đa phƣơng tiện hiện đại hoạt động ở tốc rất cao vì thế mà băng thông tín hiệu đƣợc yêu cầu cần phải lớn hơn rất nhiều so với băng thông kết hợp của kênh nên ảnh hƣởng méo là rất gay gắt. Để chống lại các méo đó cần thiết phải dùng các hệ thống cân bằng.
Cấu trúc của các hệ thống cân bằng càng trở lên phức tạp khi tỉ lệ giữa trải trễ của kênh và chu kỳ ký hiệu tăng lên. Phƣơng pháp điều chế OFDM đƣa ra một giải pháp khác để giải quyết vấn đề này. Kỹ thuật điều chế này là một ứng dụng đặc biệt của kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số thông thƣờng (FDM) (hay còn gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang hay đa tần). Cụ thể, trong hệ thống FDM, một dòng bit tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng con có tốc độ thấp hơn phát qua các kênh song song (hay các sóng mang con).
Nếu N là số các dòng con nhƣ vậy, tốc độ trên mỗi kênh con giảm xuống. Vì vậy, với một giá trị N đủ lớn, mỗi kênh con có thể đƣa ra một băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh, và khi đó nó xuất hiện là pha đing phẳng. Điều này có nghĩa ở máy thu chỉ cần một hệ thống cân bằng rất đơn giản để bù lại. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang không phải là mới, thực tế nó đã xuất hiện từ cuối năm 1950, khi đó điều chế đa sóng mang đã đƣợc sử dụng trong quân đội.
Tuy nhiên, ở thời điểm đó nó không phải là một thành công nổi bật vì thực hiện phức tạp do sử dụng các thiết bị tƣơng tự. Khoảng 10 năm sau đó, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 năm 1971 Weinstein và Ebert đã giải quyết đƣợc vấn đề đó và công bố bài báo [11] về cách thực hiện một hệ thống đa sóng mang với IDFT/DFT. Sau đó, nguyên lý của điều chế đa sóng mang trở thành cơ sở của hầu hết các chuẩn công nghiệp hiện nay và đang tiến tới thời đại thông tin băng rộng, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến thông qua hai phƣơng pháp thực hiện chủ yếu: + DMT (Discrete MultiTone) đƣợc phát triển cho các ứng dụng hữu tuyến băng rộng sử dụng làm kỹ thuật điều chế cho các đƣờng dây thuê bao số tốc độ bit cao (HDSL) [12], đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL) [13] và hầu hết các đƣờng dây thuê bao số tốc độ rất cao gần đây (VDSL) [14]. + OFDM đã đƣợc khai thác trong các tiêu chuẩn phát thanh/truyền hình số quảng bá ở châu âu (DAB[15], DVB-T [16]) và đƣợc lựa chọn cho các ứng dụng của mạng truy nhập vô tuyến WLAN [17].
OFDM đang tiếp tục đƣợc nghiên cứu cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Hiện có một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật đa sóng mang mới đang nổi lên, bao gồm các dịch vụ vô tuyến băng rộng cố định và di động, vô tuyến băng cực rộng (ultrawideband radio), hệ thống đa truy nhập trực giao (OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access), ngoài ra nó có thể đƣợc sử dụng kết hợp với các kỹ thuật điều chế khác.1 minh hoạ sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (FDM) và kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM). Nhƣ chỉ ra trên hình, bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM, chúng ta tiết kiệm đƣợc gần 50% băng thông. Tuy nhiên để thực hiện đƣợc kỹ thuật đa sóng mang này, cần giảm sự can nhiễu giữa các sóng mang, có nghĩa cần phải có đƣợc tính trực giao giữa các sóng mang đƣợc điều chế.
Từ trực giao ở đây chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số sóng mang trong hệ thống. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. So sánh OFDM với kỹ thuật đa sóng mang truyền thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thƣờng, nhiều sóng mang đƣợc đặt cách đều nhau để sao cho các tín hiệu có thể thu đƣợc bằng các bộ lọc và các bộ giải điều chế truyền thống. Trong các máy thu nhƣ vậy, các băng bảo vệ đƣợc đƣa vào giữa các sóng mang trong miền tần số, kết quả là làm giảm hiệu suất sử dụng phổ.
Để khắc phục điều này, có thể sắp xếp các sóng mang thành một tín hiệu OFDM sao cho một bên băng tần của các sóng mang xếp chồng lên nhau và các tín hiệu vẫn có thể thu đƣợc mà không có nhiễu sóng mang liền kề. Để làm điều này, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Phổ của một kênh con và phổ của một tín hiệu OFDM đƣợc chỉ ra trên hình 1. Phổ của (a) một kênh con OFDM và (b) một tín hiệu OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 là biểu diễn của tín hiệu OFDM trong miền thời gian - tần số.3: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian-tần số Phƣơng pháp điều chế OFDM có các thuận lợi chính nhƣ sau: - Tăng hiệu quả sử dụng phổ bằng việc xếp chồng; - Bằng việc chia kênh thành các kênh con pha đinh phẳng băng hẹp, OFDM chống lại pha đinh lựa chọn tần số tốt hơn hệ thống một sóng mang.
- Loại bỏ ISI bằng cách chèn CP; - Sử dụng mã hoá kênh và ghép xen thích hợp có thể khôi phục các ký hiệu bị mất do sự lựa chọn tần số của kênh; - Cân bằng kênh trở lên đơn giản hơn so với việc sử dụng kỹ thuật cân bằng thích nghi trong hệ thống đơn sóng mang. Tuy nhiên một bất lợi chính của phƣơng pháp điều chế OFDM là độ nhạy của nó với sự khác nhau nhỏ về tần số tại máy phát và máy thu mà sẽ đƣợc đề cập kỹ hơn ở các chƣơng sau. Cấu trúc chung của hệ OFDM Trong hệ thống OFDM, dòng bit đầu vào đƣợc dồn vào N dòng ký hiệu, mỗi dòng có chu kỳ ký hiệu là T s, và mỗi dòng ký hiệu đƣợc sử dụng để điều chế các sóng mang con song song đồng thời [10]. Các sóng mang con cách nhau một khoảng tần số là 1/NTs, vì vậy chúng trực giao trong thời khoảng (0,Ts).
Hệ thống thu phát OFDM băng gốc miền thời gian rời rạc điển hình đƣợc chỉ ra trên hình 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hệ thống thu phát OFDM băng gốc Đầu tiên, bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) nhóm dòng bit đầu vào từ bộ mã hoá nguồn vào các nhóm log 2M bit, với M là mẫu kích thƣớc của phƣơng pháp điều chế số đƣợc sử dụng trên mỗi sóng mang con. Tổng của N ký hiệu nhƣ vậy là X m đƣợc tạo ra.
Sau đó, N ký hiệu đƣợc ánh xạ vào các hộc (bins) của biến đổi Fourier ngƣợc nhanh (IFFT). Các hộc IFFT này tƣơng ứng với các sóng mang con trực giao trong ký hiệu OFDM. Vì vậy, ký hiệu OFDM có thể biểu diễn nhƣ sau: 2nm 1 N 1 j x ( n) X m e N (1.1) N m 0 với Xm là các ký hiệu băng gốc trên mỗi sóng mang con. Sau đó, bộ chuyển đổi số - tƣơng tự (D/A) tạo tín hiệu tƣơng tự miền thời gian phát qua kênh truyền.
Tại máy thu, tín hiệu đƣợc chuyển lại thành dãy N điểm rời rạc y(n), tƣơng ứng với mỗi sóng mang con. Tín hiệu rời rạc này đƣợc giải điều chế sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh N điểm (FFT) tại máy thu. Dòng ký hiệu đƣợc giải điều chế đƣợc cho bởi: N 1 j 2nm Y (m) y (n)e N W(m) (1.2) n 0 với W(m) tƣơng ứng là FFT của các mẫu w(n), đây là nhiễu Gauss trắng cộng tính AWGN trong kênh. Dữ liệu tốc độ cao đối với OFDM đạt đƣợc bằng truyền dữ liệu đồng thời ở tốc độ thấp hơn trên mỗi sóng mang con trực giao.
Vì truyền tốc độ dữ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 liệu thấp, nên méo tín hiệu nhận đƣợc do trễ đa đƣờng trong kênh không đáng kể so với các hệ thống sử dụng một sóng mang để truyền tốc độ dữ liệu cao. Ví dụ, một tín hiệu băng hẹp truyền một tốc độ dữ liệu cao qua một kênh đa đƣờng sẽ chịu ảnh hƣởng của trải trễ đa đƣờng lớn hơn, điều này là vì các ký hiệu gần sát với nhau nhiều hơn [3]. Méo đa đƣờng cũng có thể gây ra nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) ở đó các ký hiệu liền kề chồng lấn lên nhau. Trong hệ thống OFDM, điều này có thể ngăn chặn bằng việc chèn một tiền tố vòng (CP) giữa các ký hiệu OFDM liên tiếp.
Tiền tố vòng CP đƣợc loại bỏ tại máy thu để loại bỏ ISI. Do khả năng chống nhiễu ISI và méo đa đƣờng trong hệ thống OFDM mà nó đã đƣợc quan tâm đối với nhiều ứng dụng và tiêu chuẩn vô tuyến. Thời gian bảo vệ và tiền tố vòng (CP) Một trong các vấn đề quan trọng nhất trong thông tin vô tuyến là trải trễ đa đƣờng.