Đề tài Nghiên cứu về OFDM và vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM và mô phỏng hệ thống OFDM

www.4tech.com.vn MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM…………………… 1 1.1 Giới thiệu chương: ………………………………………………………………… 1 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM: ………………………………………………... 1 1.3 Đơn sóng mang: ………………………………………………………………….. 6 1.4 Đa sóng mang: …………………………………………………………………… 6 1.5 Sự trực giao: ………………………………………………………………………8 1.5.1 Trực giao miền tần số: …………………………………………………... .9 1.5.2 Mô tả toán học OFDM: …………………………………………………..10 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM: …………………………………………….15 1.6.1 Điều chế BPSK: …………………………………………………………. 16 1.6.2 Điều chế QPSK: …………………………………………………………. 17 1.6.3 Điều chế QAM: ………………………………………………………… 19 1.6.4 Mã Gray:................................................................................................20 1.7 Các đặc tính của OFDM: .……………………………………………………… 23 1.7.1 Ưu điểm: ……………………………………………………............….23 1.7.2 Nhược điểm:.......……………………………………………………… 23 1.8 Kết luận chương:....……………………………………………………………24 Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYÊN..........25 2.1 Giới thiệu chương:............................................................................................. 25 2.2 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM:......................................25 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation):.......................................................25 2.2.2 Hiệu ứng đa đường:.................................................................................26 www.4tech.com.vn 2.2.3 Dịch Doppler:..........................................................................................29 2.2.4 Nhiễu AWGN:.........................................................................................30 2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI:................................................................................31 2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI:.......................................................................31 2.2.7 Tiền tố lặp CP:.........................................................................................32 2.3 Khoảng bảo vệ:..................................................................................................34 2.4 Giới hạn băng thông của OFDM:......................................................................36 2.4.1 Lọc băng thông:.......................................................................................37 2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR:.....................................................38 2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM:................39 2.5 Kết luận chương:................................................................................................39 Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THÔNG OFDM…..………………..……..40 3.1 Giới thiệu chương:………………………………………………………... ….40 3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM:………………………………………...…40 3.2.1 Nhận biết khung:……………………………………………………... 41 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số:………………………………………. .43 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân:…………………………………… 43 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên:………………………………………... 45 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư:………………………………………………...46 3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM:………………………………………………… 48 3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot:……………………………….49 3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP:…………………………………………… 50 3.3.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC):…………………... .51 3.3.3.1 Nhận biết FSC:…………………………………………………. .52 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1:…………………………………….. 53 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2:…………………………………….. 54 3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM:……………………………………….55 www.4tech.com.vn 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu:………………………………………………. 55 3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang:……………………………………………56 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot:... .56 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP:……………………… 56 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu:………………………………. 57 3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM:………………….. 58 3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian:…………………………………59 3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số:…………………………………….60 3.6 Kết luận chương:……………………………………………………………... 61 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……. 62 4.1 Giới thiệu chương:…………………………………………………………….. 62 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink:....................................…………..62 4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình:...............…………………………65 4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền:...............................................................65 4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM:............................................66 4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM:..............................................67 4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER:..........................................................69 4.4 Kết quả chương trình mô phỏng:.......................................................................69 4.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM:...........................................................69 4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh:.......................................................................71 4.5 Kết luân chương:................................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……………............……… ….72 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….…………73 PHỤ LỤC……………………………………………………………………… ….74 Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT A AM Amplitude Modulation AWGN Additive White Gaussian Noise B BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station C CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix D DC Direct Current (0 Hz) DFT Discrete Fourier Transform DPLL Digital Phase Look Loop DS-CDMA Direct Sequence CDMA DSP Digital Signal Processor DVB Digital Video Broadcasting F FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correcting FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impulse Response (digital filter) FM Frequency Modulation FOE Frequency Offset Estimation FSC Frame Synchronization Code FSK Frequency Shift Keying Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn G GI Guard Interval I ICI InterChannel Interference ICI InterCarrier Interference ISI InterSymbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse FFT IMD Inter-Modulation Distortion ISI InterSymbol Interference O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PM Phase Modulation PN Pseudo Noise PSK Phase-Shift Keying Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying S S/P Serial to Parallel SC Single Carrier SNR Signal to Noise Ratio W Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 1 Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây. 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 2 Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có (a) Tần số Tần số Tiết kiệm băng thông (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). Ch.1 Ch.10 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 3 khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu. x(n) xf(n h(n) yf(ny(n) Y(k) AWG N Sắp xếp S/P P/S IDFT DFT Chèn pilot Ước lượng kênh Chèn dải bảo vệ Loại bỏ dải bảo vệ Sắp xếp lại Kênh + P/S S/P Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 4 Serial to Parallel convertor Modulation at f0 Modulation at f1 Modulation at fN-1 S0 S0, S1, …, SN-1 Serial data stream Parallel to serial convertor Demodulation at f0 Demodulation at f1 Demodulation at fN-1 S0 SN-1 Output Transmitter Receiver Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber N Δ f=W fΔ 2 fΔ f0=1/T f1=2/T fN-1=N/T Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM SN-1 f2=3/T Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 5 Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang. Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM .[2] Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 6 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang. 1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích. Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9] Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 7 Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được 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,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: ))((2 1 0 1)( LNlTtπkj l N- k l,k sea N tS +− = ∑ ∑= Trong đó, al,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) Khoảng cách sóng mang nhánh là sNTT 11 = Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 8 trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong 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. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang . 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. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động 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 mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 9 Hình 1.9: Các sóng mang trực giao Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix). Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc. 1.5.1 Trực giao miền tần số Một cách khác để xem tính trực gi