Chương 1 Mô hình hệ thống OFDM 1.1 Mô hình hệ thống OFDM Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Hệ thống OFDM là hệ thống phức tạp, yêu cầu cao về phần cứng xử lý. Tuy nhiên, với việc đưa hàm IFFT vào hệ thống để tạo ra các sóng mang con trực giao đã làm yêu cầu phần cứng giảm đi rất nhiều.
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM như sau: Bit In Điều chế Chèn chuỗi Biến đổi số/ băng tần cơ Chèn Pilot IFFT {ai,n} {dk,n} bảo vệ tương tự sở {d’k,n} m’(lta) m(lta) m(t) Kênh vô tuyến Khôi phục Tách mẫu kênh tín hiệu dẫn truyền đường AWGN n(t) {Hi,n} u’(lta) U(lta) u(t) {dk,n} {d’k,n} Giải điều Bit out Cân bằng Tách chỗi Biến đổi chế băng FFT Đồng bộ kênh bảo vệ tương tự/ số {ai,n} tần cơ sở Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Nguồn bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như PSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số sẽ chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi truyền LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu pha đinh và nhiễu trắng.
Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được phát cùng với tính hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Sau khi nhận được dòng khung OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu được chính xác khung OFDM đã gửi. Sau đó sẽ tới công đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi thực hiện FFT kết quả thu được.
Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được sẽ bị biến dạng. Do vậy để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu.
Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Tín hiệu sau khi được khôi phục là dòng tín hiệu QAM.
Bởi vậy, tiếp tục giải điều chế QAM ở băng tần cơ sở để thu được dòng bit đã truyền đi ban đầu 1.2 Các tác vụ cơ bản của hệ thống phát OFDM Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu phát OFDM, việc tiến hành thực hiện xây dựng khối phát OFDM sẽ thông qua việc hoàn thiện các bước sau đây: Hình 1.2 Sơ đồi khối hệ thống phát OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài toán xây dựng hệ thống phát sẽ thông qua đồ hình sau: Hình 1.3 Các tác vụ cơ bản của hệ thống phát OFDM 1.1 Điều chế OFDM ở phía phát Gọi dòng bit trên mỗi luồng song song là { }sau khi qua bộ điều chế QAM thành tín hiệu phức đa mức { }. Trong đó n là chỉ số sóng mang phụ, là chỉ số của khe thời gian tương ứng với mẫu tín hiệu phức. Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và qua bộ tổng thì cuối cùng, tín hiệu ở vị trí thứ 3 được biểu diễn như sau [3]: (1.1) Khi biến đổi luồng tín hiệu trên thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số : (1.2) Trong đó B là toàn bộ băng tần của hệ thống. Tại thời điểm lấy mẫu và (Xung cơ sở là xung vuông).
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Do đó được viết lại thành: (1.3) Tín hiệu OFDM trên trùng hợp với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Trong trường hợp N FFT là luỹ thừa của 2, phép biến đổi IDFT được thay bằng phương pháp IFFT. Với phép biến đổi IFFT, thực hiện dễ dàng nhờ ứng dụng các vi điều khiển chuyên dụng xử lý số như các dòng DSP.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về mặt sử dụng băng tần mà còn khả năng loại trừ được nhiễu liên tín hiệu ISI thông qua sử dụng chuỗi bảo vệ. Do vậy, tín hiệu OFDM trước khi phát đi phải chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu. Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ kiệu bằng cách phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau. Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia giải tần công tác thành các băng tần khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học.
Điều này cho phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau, do đó tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu[1]. Dưới đây là những nguyên lý chủ yếu của kỹ thuật OFDM. Ngu n lý t giao Về mặt toán học, xét tập các tín hiệu ψ với ψp là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập trực giao đôi một với nhau là: (1. Khoảng thời gian từ a đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là một hằng số.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4 Hệ thống OFDM với nguyên lý trực giao Dựa vào tính trực giao, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên đáng kể. Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức trong đó là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau.5) Ở phương trình trên nhận thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt.
Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc để thực hiện giải điều chế OFDM.5 So sánh hai phương pháp điều chế FDM và OFDM LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Minh họa khả năng tiêt kiệm băng thông của hệ thống OFDM so với các hệ thống điều chế đa sóng mang khác.2 Điều chế ở băng tần cơ sở Tín hiệu truyền từ nguồn tới đích dưới dạng sóng điện từ, ở tần số thấp (băng tần cơ sở), tín hiệu không thể bức xạ đi xa và dể bị tác động bởi nhiễu. Còn ở tần số cao (băng thông) thông tin có thể bức xạ đi xa và ít bị tác động bởi nhiễu do vậy trước khi truyền tín hiệu cần phải được đưa lên tần số cao đó là quá trình điều chế, quá trình ngược lại máy thu khôi phục tín hiệu ở băng thông thành tín hiệu ở băng tần cơ sở là quá trình giải điều chế. Bởi vậy, dòng tín hiệu trước khi được đưa tới khối IFFT để gắn vào các sóng mang con trực giao phải được điều chế ở băng tần cơ sở.
Ở đây, có thể chọn các phương án điều chế như QPSK, 16QAM, 64QAM hoặc 256QAM. Điểm khác nhau giữa các phương pháp điều chế này ở chỗ số lượng bit được sử dụng để mã hóa các ký hiệu trong chòm sao. Với 16QAM, mỗi ký hiệu được mã hóa bởi 4 bit, 256QAM thì mỗi ký hiệu được mã hóa bởi 8 bit. Khi số bit mã hóa tăng lên thì làm tốc độ của dòng tín hiệu tăng lên nhưng kéo theo nó là tỷ lệ bit lỗi (BER) sẽ tăng lên.
Bởi vậy trong hệ thống cần phải cân nhắc các yếu tố này khi chọn phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở.6 Quan hệ giữa tốc độ ký hiệu và tốc độ bit Mỗi một ký hiệu b bit trong một khung sẽ được đưa vào bộ ánh xạ, mục đích là để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một ký hiệu b bit sẽ tương ứng một trong trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 16 BPSK sử dụng 1 ký hiệu có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha hoặc , tốc độ Baud hay tốc độ ký hiệu sẽ bằng với tốc độ bit. QPSK sử dụng 1 ký hiệu 2 bit (Dibit) 8-PSK hay 8-QAM sử dụng 1 ký hiệu 3 bit (Tribit) 16-PSK hay 16-QAM sử dụng 1 ký hiệu 4 bit (Quabit) Hình 1.7 Vị trí các ký hiệu trong chòm sao ứng với 16QAM Số bit được truyền trong một ký hiệu tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng thông tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng sẽ tăng lên.6) Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường không nhiễu: (1.7) Với là băng thông của kênh truyền.
Do đó, không thể tăng M lên tuỳ ý được, công thức trên cho phép xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một ký tự. Một số phương thức điều chế số thường dùng trong bộ ánh xạ: M-PSK M-DPSK M-QAM 1.