Chương 1 giới thiệu chung về hệ thống OFDM. Chương 2 đề cập đến khái niệm, đặc tính thống kê cũng như ảnh hưởng của PAPR đối với hệ thống và các giải pháp giảm PAPR chủ yếu đã được đề xuất. Chương cuối cùng tìm hiểu cụ thể giải pháp giảm PAPR bằng biến đổi cân chỉnh khối (PST), bao gồm việc tìm hiểu sơ đồ khối, tiến hành mô phỏng để khảo sát hiệu quả của giải pháp trong việc giảm PAPR và ảnh hưởng đối với hệ thống. --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -7- --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.4 Mô hình hệ thống OFDM 1.1 Nguyên lý xây dựng mô hình hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT Theo lịch sử phát triển, kỹ thuật OFDM đã được đưa ra vào cuối thập niên 1960 [4] như được mô tả trên hình 1.1, tuy nhiên, đó chỉ là mô hình điều chế tương tự; trong đó, đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao.
Yêu cầu khắt khe này có thể được thay thế bằng cách sử dụng bộ biến đổi nhanh Fourier ngược (IFFT). Nơi phát Kênh truyền Nơi thu 0(t) x0,l 0(t) n(t) y0,l x1,l 1(t) g(;t) xN-1,l N-1(t) N-1(t) YN- 1,l (l+1)T Hình 1.1: Mô hình hệ thống OFDM tƣơng tự Thật vậy, trong trường hợp tổng quát, mỗi sóng mang nhánh trong sơ đồ trên có thể được biểu diễn dưới dạng phức như sau: S c (t ) An (t )e j nt n ( t ) (1.1) --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -8- --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- Trong đó, An (t) và n(t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh thứ n, n 0 n Tín hiệu OFDM thu được từ phép điều chế là tổng các sóng mang con trên các nhánh thành phần có dạng 1 N 1 S OFDM (t ) N n 0 An (t )e j nt n ( t ) (1.2) Khi phân tích tín hiệu nhận được sau khi thực hiện điều chế OFDM, ta thường phải quan tâm đến các đặc điểm và chu kỳ T của ký hiệu OFDM. Nếu xét trong khoảng thời gian T này, các biến An (t) và n(t) - chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con – là cố định. Do đó, ta có thể viết: n(t) n An (t) An Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T0 ta có: 1 N 1 S OFDM (t ) An (t )e j 0 n kT0 n N n 0 (1.3) Không mất tính tổng quát, giả sử w0 = 0 và T0 =T/N nkT 1 N 1 j S OFDM (t ) An e j n e N N n 0 2 nfT 1 N 1 j S OFDM (t ) N n 0 An e j n e N (1.4) So sánh công thức này với kết quả phép IFFT của N điểm rời rạc Sc(kT) tại N đầu ra của bộ thu IFFT là : 2 nk 1 N 1 n j N S OFDM (t ) S c e N n0 NT (1.5) --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -9- --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- với N là kích thước của bộ FFT/IFFT, ta có thể thấy có thế sử dụng IFFT thay cho các bộ lọc hoàn hảo đắt tiền và nhiều bộ dao động cao tần có độ ổn định tần số rất cao.
Điều quan trọng là đạt được tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh. Điều kiện này thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con Δ f thoả mãn điều kiện: 1 1 f (1.6) 2 T NT0 Trong đó, T là chu kỳ ký hiệu OFDM T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu OFDM của mỗi ký tự. Lý thuyết trên là cơ sở để xây dựng mô hình hệ thống OFDM số dùng trong thực tế. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ xử lý cao, kỹ thuật OFDM sử dụng IFFT/FFT được thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Ta sẽ tìm hiểu hệ thống này cụ thể hơn ở phần tiếp theo. Phổ tần số của OFDM --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Mô hình cơ bản của hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT Chuyển Điều Chuyển Chèn CP chế số IFFT đổi P/S D/A đổi S/P RF oscilator Dữ liệu phát HPA Dữ liệu thu Kênh truyền RF HPA oscilator Chuyển Giải Chuyển Loại CP FFT đổi S/P A/D đổi P/S điều chế Hình 1.3: Mô hình hệ thống OFDM số Chức năng của từng khối ở phần phát của hệ thống được mô tả như sau: Bộ chuyển đổi từ nối tiếp thành song song (S/P) Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát (nối tiếp) với tốc độ cao sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền đồng thời cùng nhau, tốc độ bit truyền trên từng nhánh con nhỏ hơn nhiều so với luồng dữ liệu phát ban đầu. Do đó, chu kỳ một ký hiệu OFDM tăng, tạo nên hiệu quả chống ISI cho hệ thống. Về phương diện tần số, triệt ISI là do có thể coi mỗi dải con là phading phẳng (flat fading) vì nó chỉ chiếm 1/N dải thông so với trường hợp đơn sóng mang.
Khối điều chế số Thực chất đây là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng mang con. Quá trình điều chế có thể thực hiện với cả pha và biên độ tạo thành các véc tơ phức I – Q. Chẳng hạn như ở hình 1.4 là chòm sao của điều chế 64-QAM ánh xạ 8 bit với mỗi ký tự. --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 11 - --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- Khối IFFT Trên thực tế, số sóng mang con được sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT.
Đó là do trong số NIFFT đầu vào của bộ IFFT có một số đầu vào được dùng cho các mục đích khác nhau như tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc chèn tiền tố lặp. Các bộ biến đổi IFFT/FFT dựa trên thuật toán biến đổi Fourier nhanh cho phép giảm số lượng phép nhân phức của các biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Điều này làm tăng tính đơn giản và hiệu quả cho hệ thống. Có những trường hợp người ta không dùng DFT.
Đó là khi số sóng mang (N) ít, cụ thể là N 32 người ta dùng dàn lọc số để thực hiện DFT. Nhưng nếu số sóng mang lớn hơn 32 thì việc thực hiện FFT sẽ có hiệu quả hơn trong tính toán. Một nhược điểm khi dùng bộ điều chế và giải điều chế dựa trên DFT đó là búp sóng phụ trong miền tần số tương đối lớn so với Hình 1.4: Giản đồ chòm tín hiệu của điều chế 64-QAM phương pháp dùng dàn lọc. Khi đó hệ OFDM dùng DFT dễ bị nhiễu xuyên kênh ICI trừ khi tiền tố vòng CP đủ lớn.
Nếu ICI là một vấn đề do kênh không bình thường thì có thể dùng đến giải pháp dàn lọc có búp sóng phụ nhỏ hơn. Đặc biệt, lớp các dàn lọc đa tốc với thuộc tính tái tạo hoàn hảo liên quan tới các mạch lọc dựa trên sóng con (wavelet) còn có nhiều ưu điểm khác. --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 12 - --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- Khối chuyển đổi từ song song thành nối tiếp (P/S) Khối này chuyển các ký hiệu sau IFFT thành chuỗi nối tiếp nhau. Nếu chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu ban đầu là T0 và N là kích thước bộ IFFT/FFT thì sau bộ biến đổi này ta thu được ký hiệu OFDM có chu kỳ T=N.
Trong quá trình truyền đi, các ký hiệu gồm nhóm N mẫu này thường được đánh dấu để phân biệt được với nhau nhờ phương pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa các ký hiệu OFDM. Chèn tiền tố lặp (CP) Hình 1.5: Mô tả chèn CP Việc này nhằm mục đích khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu OFDM lớn hơn trải trễ cực đại của kênh đa đường, đồng thời giữ nguyên tính trực giao giữa các sóng mang con trong ký hiệu OFDM. CP là bản sao chép đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM, được ghép vào đầu của nó để đảm bảo các sóng mang con thành phần có tính tuần hoàn. Điều này giúp cho hệ thống có khả năng chống ISI và ICI rất tốt.
Ngoài ra, kỹ thuật này còn có tác dụng tốt trong việc thực hiện đồng bộ. Mặc dù việc chèn CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi làm giảm hiệu suất truyền tin, song, những lợi ích to lớn mà nó đem lại khiến cho việc sử dụng kỹ thuật này là rất phổ biến trong thực tế. --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 13 - --- --- ------ --- ------ --- ---- -- --- ------ --- --- Bộ chuyển đổi D/A, bộ dao động cao tần (RF) và bộ khuyếch đại công suất (HPA) Bộ chuyển đổi D/A chuyển đổi các ký tự từ dạng số sang dạng tương tự. Sau đó, tín hiệu được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần vô tuyến RF và tiếp theo là tín hiệu được đưa lên kênh truyền để đến nơi thu.
Bộ khuếch đại công suất cao HPA có tác dụng khuếch đại công suất tín hiệu trước khi tín hiệu được phát đi. Tại nơi thu, bộ giải điều chế OFDM cũng bao gồm các khối tương tự như ở nơi phát, với chức năng ngược lại. Trong thực tế, sơ đồ khối của hệ thống còn cần thêm các khối khác như xử lý tín hiệu khi điều chế để giảm PAPR ở phần điều chế, khối đồng bộ thời gian và tần số ở phần giải điều chế.5 Các đặc điểm chính của OFDM 1.1 Ưu điểm so với điều chế đơn sóng mang Truyền dẫn tốc độ cao: Hệ thống OFDM cung cấp khả năng truyền dẫn tốc độ cao do quá trình truyền đồng thời các nhánh. Hiệu suất sử dụng phổ cao Đó là nhờ đặc tính chồng lấp lên nhau ở miền tần số của các sóng mang con.