Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý điều chế , sơ đồ thu phát OFDM sử dụng IFFT và FFT và các ưu , nhược điểm của OFDM Chương 2 : Hệ thống MIMO bao gồm các kỹ thuật phân tập , nguyên lý hệ thống MIMO phương pháp tính dung năng kênh MIMO và ưu nhược điểm của MIMO. Chương 3 : Hệ thống MIMO _ OFDM bao gồm mô hình hệ thống MIMO_OFDM, các phương pháp đồng bộ , hiệu chỉnh độ dịch tần số , ước lượng kênh truyền. Chương 4 : Mô phỏng hệ thống MIMO / OFDM thích nghi bao gồm chi hệ thống MIMO kỹ thuật điều chế thích nghi hệ thống MIMO và kết quả mô phỏng , so sánh truyền dẫn SISO thích nghi và MIMO thích nghi thông qua đồ thị BER_SNR LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM [1] Giới thiệu: FDM là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong việc truyền tín hiệu trong các kênh lựa chọn tần số. Về cơ bản, FDM chia độ rộng toàn bộ kênh thành những kênh con và truyền tín hiệu tốc độ thấp hơn vài lần bằng cách điều chế mỗi tín hiệu vào một tần số sóng mang riêng biệt.
Để có thể phân tách tín hiệu ở máy thu, tần số sóng mang phải được sắp xếp đủ xa để phổ tín hiệu không bị chồng lấn. Hơn nữa để phân tách được tín hiệu với những bộ lọc hiện có thì cần có một khoảng phổ rỗng ở giữa các tín hiệu, điều này gây lãng phí dải thông. Để giải quyết vấn đề hiệu quả băng thông, OFDM đã ra đời trong đó các sóng mang trực giao được sử dụng để điều chế tín hiệu. Các sóng mang được sắp xếp ở những khoảng tần số tương ứng với tốc độ ký hiệu và có khả năng phân tách ở máy thu.
Những sóng mang này đã mang lại hiệu suất sử dụng phổ tối ưu. Mặc dù OFDM được công bố vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1990 nó mới được sử dụng rộng rãi vì yêu cầu thiết kế mạch điện tử rất phức tạp, như là các thành phần tần số không thực và sự tuyến tính của các bộ khuếch đại.1 Từ điều chế đa sóng mang đến điều chế trực giao OFDM * Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang FDM Trong phương pháp điều chế đa sóng mang , toàn bộ băng tần được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con khác nhau , phương pháp điều chế đa sóng mang cũng là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ được chia thành N C kênh song song có bề rộng là : Fs = B/NC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Fs Ch1 Ch2 Ch3 … ChNc (a) f B Băng tần tiết kiệm (b) f Hình 1.NC Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn gây ảnh hưởng ít hơn. Tuy nhiên điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần so với điều chế đơn tần mà ngược lại còn làm giảm hiệu suất phổ do các kênh phụ cần có một khoảng phân cách ở giữa. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã khắc phục nhược điểm này * Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Trong phương pháp này, các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ là trực giao với các sóng mang còn lại.
Nhờ sự trực giao này mà LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau. Điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu hệ thống tăng lên rõ rệt. Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của các kênh con lân cận. Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ kênh con chồng lấn bên nhau 1.2 Lý thuyết điều chế OFDM 1.1 Sự trực giao (Orthogonal) “Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM .Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường.Trong các máy như vậy ,các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang .Muốn được như vậy các sóng mang phài trực giao về mặt toán học .Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ giải điều chế ,dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero .Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 các sóng là bội số của 1/τ .Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra can nhiễu bởi các sóng mang ICI(Inter-CarrierInterference) cũng làm mất đi tính trực giao. Về mặt toán học ,trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis ) {{ψ(t) / i = 0,1,.} i có tính chất sau : 1 i k i t k t dt ik 0 i k Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức .Ví dụ : Nếu tín hiệu là sin(mx) với m=1,2…. Thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π.Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP .Trong toán học ,số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ.Theo định nghĩa ,hai vecto được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900 ) và tích của 2 vectơ là bằng 0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau , tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ bằng không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x ,được tách ra dễ dàng và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định .Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang ,đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 ♦ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp ứng kênh cần dùng nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông ,do vậy bị ảnh hưởng không lớn của đáp ứng kênh đến dữ liệu nói chung.
♦ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang .Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao ,khi đó các sóng mang có thể chồng lấn nhau mà vẫn không gây can nhiễu .2 Mô tả toán học của OFDM Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy thu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác động không hoàn hảo trong kênh truyền. Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dải thông hẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền tần số .Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số luợng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại. Trong toán học ,mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức : j nt c t Sc t Ac t e (1.1) Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t).Cả Ac(t) và Φc(t)( Biên độ và pha tương ứng của sóng mang ) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản.Đối với điều chế QPSK , biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường. Đối với symbol thứ p ,trên khoảng thời gian (p-1)τ<t<pτ, Φc(t) sẽ chiếm một giá trị tập hợp góc 00,900,1800,2700 .Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang ,vì vậy tín hiệu phức Ss(t) được thể hiện bởi công thức : 1 N 1 j nt c t Ss t Ac t e (1.2) N n 0 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Trong đó : n o n Tất nhiên ,đây là một tín hiệu liên tục .Nếu dạng sóng của mổi phần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol được xem xét thì các biến số Ac(t) và c (t ) và nhận các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó ,và như vậy có thể viết lại như sau c t n t Ac t An Nếu tín hiệu ban đầu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T ( với T là chu kỳ lấy mẫu),thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức : 1 N 1 i o n kT n Ss kT Ane N n 0 (1.3) Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N dòng bit song song đã được giới hạn .Nó là thuận lợi để lấy mẫu trong một chu kỳ của một symbol dữ liệu .Vì thế có mối liện hệ.
τ=NT Nếu bây giờ đơn giản biểu thức (1.