Chương 1: Kỹ thuật OFDM Trong chƣơng này sẽ lần lƣợt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng mô hình hệ thống. Chương 2: Ước lượng kênh truyền trong OFDM và hiệu quả của mẫu Pilot Trong chƣơng này sẽ trình bày về kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống OFDM , từ đó đƣa ra hiệu quả của mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh. Chương 3: Mô phỏng kết quả z 2 Trong chƣơng này sẽ mô phỏng kết quả đạt đƣợc của hiệu quả mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh truyền dẫn OFDM và đƣa ra hƣớng phát triển của đề tài trong tƣơng lai. KỸ THUẬT OFDM 1.
Giới thiệu chƣơng Trong hệ thông tin vô tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin. Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí dữ liệu trên sóng mang. Các hệ thống thông tin một tần số hạn chế tốc độ dữ liệu và hạn chế về dung lƣợng. Để giảm nhiễu thì các phƣơng pháp phát tín hiệu tƣơng tự trƣớc đây nhƣ AM, FM cần thiết phải tăng công suất máy phát, băng tần rộng hiệu quả sử dụng băng tần thấp.
Đa phân chia để chia sẻ độ rộng băng tần với nhiều kênh dữ liệu độc lập khác nhau. Năm 1980 trung tâm nghiên cứu của Pháp (tập đoàn Telecom) CCETT (Centre Commun d'Étude en Dédiufftion ét Télécommunication), đƣa ra phƣơng pháp mới để truyền tín hiệu số mà vẫn tiết kiệm đƣợc băng tần đó là OFDM. OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia toàn bộ băng tần ra thành nhiều sóng mang nhánh mà các sóng mang này phải trực giao. Ngày nay, kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB–T (Digital Video Boadcasting –Terrestrial).
OFDM còn là giải pháp kỹ thuật đƣợc đề cử cho các chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network). Do vậy, trong chƣơng này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM, nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng mô hình hệ thống OFDM. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 1. Nguyên tắc cơ bản [9] Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N chuỗi con song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp hơn (R/N).
N chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời. Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier z 4 Interference). Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 1.1 f Phổ của tín hiệu FDM Tiết kiệm băng thông f Phổ của tín hiệu OFDM Hình 1.
Phổ của tín hiệu FDM và OFDM [9 ] Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hƣởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều đƣợc giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ƣu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hƣởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1. Nhƣng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hƣởng (Hình 1.2b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phƣơng pháp mã hoá sửa sai.
Hệ thống OFDM Nhiễu Hình 1. Sơ đồ một hệ thống OFDM Sơ đồ hệ thống OFDM đƣợc cho nhƣ hình 1. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P đƣợc biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu đƣợc một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk.
Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT: k 1 N 1 j2 n 1 N 1 j2 f t d n D k .1) Nk 0 Nk 0 k fk (do n n f k nTs f k t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng N fs mang) Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian.2) Nk 0 z 6 Các mẫu y(n) này đƣợc chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), đƣợc khuếch đại, đƣa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền.3) Nk 0 Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. Ở máy thu, ta làm quá trình ngƣợc lại: Tín hiệu OFDM đƣợc đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi đƣợc đƣa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu N 1 k j2 n N Dk d n. Tính trực giao Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau.
Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin đƣợc truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại đƣợc hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con đƣợc chồng lắp với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu đƣợc gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện.
Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: k sin(2 t) 0 t TS f k (t) TS (1.6) 0 t (0, TS ) với k = 0, 1, …, N-1 z 7 1 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng FS và trực giao TS từng đôi một do thỏa điều kiện (1. k1 k Ta xét hai sóng mang Sin 2 t và Sin 2 2 t TS TS TS T k k 1 S t t Sin 2 π 1 t .Sin 2 π 2 t dt cos2 π k 1 k 2 cos2 π k 1 k 2 dt 0 (1.7) 0 TS TS 20 TS TS f Hình 1. Phổ của các sóng mang trực giao [9 ] Các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính.
Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian đƣợc giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1. Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau.
Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu đƣợc truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,.Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận đƣợc khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Nhằm giải quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT có vai trò giống nhƣ hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế. z 8 Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1).
Công thức của phép biến đổi DFT là N 1 j 2 Nkn X (k ) x ( n )e , k = 0, 1, …, N-1 (1.8) n 0 - Công thức của phép biến đổi IDFT là N 1 1 j 2 Nkn x ( n) N X ( k )e , k = 0, 1, …, N-1 (1.9) k 0 - Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (1.9) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm: + Thời gian thực hiện phép nhân phức. + Thời gian thức hiện phép cộng phức. j 2N + Thời gian đọc các hệ số e. + Thời gian truyền số liệu.
Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì ngƣời ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì ngƣời ta phải giảm đƣợc số lƣợng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT.
Để tính trực tiếp cần N N 2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn log 2 N. Vì vậy tốc 2 2N độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là. log 2 N Ngoài ra FFT còn có ƣu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang [7] 1. Khái niệm Trong môi trƣờng đa đƣờng, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đƣờng khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trƣớc đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thƣờng đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trƣớc đó.