CHƯƠNG 1 - KỸ THUẬT COFDM Ngày nay, kỹ thuật ghép kênh OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin vô tuyến để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao. Trong chương này, sẽ giới thiệu nguyên tắc làm việc, kỹ thuật xử lý OFDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM Kỹ thuật OFDM đã được nghiên cứu và đưa ra từ đầu những năm 60 và là một đề tài nghiên cứu quan trọng của phòng thí nghiệm Bell-Mỹ. Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình điều chế tương tự (hình 1. Vì vậy, mô hình này đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao.
Chính bởi những yêu cầu rất khắt khe đó, đã làm cho việc thực hiện theo kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn và đã hạn chế chất lượng cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ trên thực tế [1]. N¬i ph¸t Kªnh truyÒn N¬i thu s0 r0 t) n(t) t) s(t) t=T s1 r1 t) h(t, ) t) t=T s N-1 r N-1 N-1 t) N-1 t) t=T Hình 1.1: Mô hình điều chế F`DM tương tự Đến năm 1971, có một đóng góp rất quan trọng phải kể đến trong việc phát triển của kỹ thuật OFDM đó là đóng góp của hai tác giả Weinstein và Ebert thuộc phòng thí nghiệm Bell. Hai tác giả này đã đưa ra ý tưởng thay thế các băng lọc hoàn hảo và các bộ dao động cao tần RF bằng việc xử lý băng gốc thông qua bộ biến đổi DFT có sử dụng thuật toán biến đổi Furier nhanh FFT. Vì thế, để có thể hiểu được sâu sắc kỹ thuật OFDM cùng với những ưu điểm của nó thì ta phải tìm hiểu nguyên lý của quá trình IFFT/FFT trong mô hình xử lý số và quan hệ của nó với mô hình xử lý tương tự.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên mỗi nhánh thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự (hình 1.1) có thể được biểu diễn dưới dạng sóng mang phức như sau: S c (t ) An (t ).1) Trong đó: An(t) và n(t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh thứ n, n = 0 + n., các sóng mang con tại các nhánh khác nhau thì trực giao, khi đó tín hiệu OFDM thu được từ quá trình xử lý sẽ là tổng của các sóng mang con trên các nhánh thành phần.2) N n 0 Điều mà ta thường phải quan tâm khi phân tích tín hiệu thu được sau khi thực hiện OFDM chính là các ký hiệu OFDM (symbol OFDM). Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài T của một ký hiệu OFDM thì các biến An(t) và n(t) sẽ cố định và chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con. Vì vậy ta có thể viết: n(t) n An(t) An Thực hiện lấy mẫu tín hiệu (1.2) với tần số 1/ To ta có: 1 N1 SOFDM(kT0 ) An .)kT0 n ] N n0 1 N 1 S OFDM (kT0 ) An .3) N n 0 T Không mất tính tổng quát, giả sử 0 = 0 và T0 N n .4) N n 0 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 So sánh (1.4) với phép biến đổi Furier rời rạc ngược của N điểm rời rạc tại N đầu ra của bộ IFFT là: 2nk 1 N 1 n j N S IFFT (kT0 ) Sc .5) N n0 NT Với N là kích thước của bộ IFFT/FFT Ta thấy giữa (1.5) có một sự tương đương và điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Từ đó ta hoàn toàn có thể thực hiện OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử dụng các bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả những điều kiện mà một hệ OFDM tương tự yêu cầu.
Trong đó, điều kiện quan trọng nhất đó là tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con.2 mô tả tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. Điều kiện trực giao được thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con f là: 1 1 f 2 T N .T0 Trong đó: T : là khoảng thời gian kéo dài của một ký hiệu OFDM hay còn gọi là chu kỳ của mỗi ký hiệu OFDM. T0 : là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu OFDM xét trong một ký hiệu OFDM.2: Dạng phổ của tín hiệu OFDM. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Kỹ thuật COFDM Như đã phân tích ở trên, mô hình xử lý OFDM tương tự đã gặp phải rất nhiều khó khăn trong khi thực hiện trong các hệ thống thực tế bởi những yêu cầu rất khắt khe của mô hình này.
Vì thế, việc đưa ra ý tưởng thực hiện xử lý tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng các bộ biến đổi IFFT/FFT là một trong những điểm mốc quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ. Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM được thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn nhiều và được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Do dựa trên nguyên tắc cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn và truyền đồng thời trên các sóng mang con nên chu kỳ của một ký hiệu OFDM sẽ tăng và trễ trải đa đường sẽ giảm. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích hợp trong mỗi ký hiệu OFDM.
Khi kỹ thuật OFDM kết hợp với các phương thức mã kênh truyền để sửa lỗi đã tạo ra kỹ thuật COFDM. Mô hình mã hoá sửa lỗi ghép kênh phân chia theo tần số trực giao COFDM dùng IFFT điển hình và thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống trên thực tế được đưa ra trên hình 1. Sau đây ta tiến hành phân tích, tìm hiểu chức năng của từng khối trong hệ thống này. Dữ liệu Mã Chuyển Điều Chuyển Chèn HPA Xáo hóa đổi chế IFFT đổi khoản D/A phát trộn kênh s /p.
M-QAM P/S g bảo vệ LO Khối phát Kênh truyền LO Giải Chuyển Giải Chuyển Chèn Dữ liệu Giải mã đổi Điều đổi xáo FFT khoản A/D thu kênh P/S chế S/P. g bảo trộn M-QAM vệ Khối thu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: Mô hình hệ thống mã hoá sửa lỗi điều chế COFDM 1. Như ta đã biết dòng dữ liệu đầu vào ở phía phát bao gồm một chuỗi các bit vì thế không loại trừ khả năng chúng sẽ bao gồm một dãy liên tục các bit 0 hoặc bit 1. Vì thế năng lượng của chúng bị tập trung sẽ không thuận lợi cho quá trình truyền dẫn.
Để khắc phục vấn đề này thì ở phía phát dòng dữ liệu đầu vào được ”nhân” (XOR) với một tín hiệu giả ngẫu nhiên đã được xác định trước. Tín hiệu giả ngẫu nhiên này được xác định giống nhau cho cả phía phát và phía thu. ở phía thu tín hiệu được xử lý tương tự như phía phát để thu được dữ liệu gốc.2 Bộ mã kênh Trong các hệ vô tuyến thông tin truyền đi có thể chịu tác động của nhiễu, phading. điều này làm thay đổi thông tin được truyền đi.
Quá trình mã kênh (mã sửa lỗi) được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này. Việc mã kênh là quá trình thêm các dư thừa một cách có chọn lọc vào dữ liệu truyền đi nhằm chống lỗi. Khi thêm các dư thừa vào thông tin gốc, dải thông cần thiết cho nguồn dữ liệu có tốc độ cố định sẽ tăng lên. Tuy nó làm giảm hiệu suất dải thông của đường truyền khi SNR cao nhưng đổi lại sẽ có các kết quả tốt của BER khi SNR thấp.
Những mã có khả năng tìm và sửa lỗi được gọi là mã sửa lỗi. Có hai loại mã sửa lỗi chính là mã khối và mã chập. Mã khối và mã Reed-Solomon [14] Trong mã khối, các bit kiểm tra (parity bits) được thêm vào các bit thông tin để tạo thành từ mã (code words) hoặc khối mã (code blocks). Từ k bit thông tin người ta thêm vào (n-k) bit dư thừa để tạo thành n bit mã.
Mã đó k được ký hiệu là mã (n, k)và có tỷ lệ mã Rc . n TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 Một trong những loại mã khối được ưa dùng là mã Reed-Solomon (RS) có khả năng sửa được các lỗi xuất hiện dưới dạng các cụm (bursts) và thường dùng dưới dạng ghép tầng mã. Chiều dài của mã n = 2m-1, số ký hiệu kiểm tra dùng để sửa t lỗi là: n - k = 2t. Khoảng cách tối thiểu dmin = 2t + 1.
Mã RS có dmin lớn nhất trong các mã tuyến tính. Mã chập Mã chập khác với mã khối ở chỗ các bit thông tin không được nhóm thành các khối để mã. Mã chập có thể đạt được độ lợi mã lớn hơn mã khối với cùng một độ phức tạp. Một mã chập được tạo ra bằng nhiều cách cho chuỗi thông tin đi qua một thanh ghi dịch có số trạng thái hữu hạn.
Tại mỗi thời điểm k bit thông tin được đưa vào thanh ghi dịch và có n k bit ra. Tỷ lệ mã là: Rc . Thông số N được gọi là chiều dài ràng buộc, nó n cho biết năng lực và độ phức tạp của mã. Có nhiều cách để biểu diễn mã chập như: ma trận sinh, đa thức sinh, bảng logic, đồ hình trạng thái, đồ thị cây, đồ thị mắt lưới.3 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song Tại nơi phát, luồng dữ liệu cần truyền đi là dòng bit nối tiếp với tốc độ bit cao đầu trên sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song với nhau, tốc độ bit truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bit tổng cộng, phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng.
Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của các hệ OFDM. Chính điều này đã tạo nên hiệu quả chống ISI rất tốt cho hệ thống.4 Bộ ánh xạ tín hiệu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM. Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữ liệu con. Khi đó, các nhóm n bit (2n = M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký hiệu M-QAM.