Luận văn Giới thiệu tổng quan về ofdm

Luận văn GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM MỤC LỤC Nội dung Trang MỤC LỤC .....................................................................................................2 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................5 DANH MỤC BẢNG ......................................................................................8 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................9 MỞ ĐẦU .......................................................................................................12 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM ..............................14 1.1 Giới thiệu chương .....................................................................................14 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM .............................................................14 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) ...............................................................19 1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) ...................................................................20 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) .........................................................................22 1.5.1 Trực giao miền tần số ........................................................................23 1.5.2 Mô tả toán học của OFDM ................................................................24 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ...........................................................30 1.6.1 Điều chế BPSK ................................................................................30 1.6.2 Điều chế QPSK ................................................................................32 1.6.3 Điều chế QAM.................................................................................34 1.6.4 Mã Gray ...........................................................................................35 CHƯƠNG 2: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT OFDM ............................................................................................................38 2.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM ..............................................................38 2.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM ........................................................39 2.3 Những hạn chế của kỹ thuật OFDM ....................................................39 2.3.1 Tín hiệu thu lý tưởng ..................................................................39 2.3.2 Lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier Frequency Offset) ...........…..40 2.3.3 Lệch định thời ký tự (TO: Timing Offset) ..................................…..42 2.3.4 Lệch tần số lấy mẫu(SFO:Sampling Clock Frequency Offset) ....…..43 2.3.5 Nhiễu pha (PHN: Phase Noise) ..................................................…..44 Chương 3 : ỨNG DỤNG CỦA OFDM…………………………………………46 3.1. Phát thanh quảng bá số (DAB) …………………………………………………………..46 3.2 . Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB)………………………………. ...49 3.2.1 Tổng quan về DVB_T………………………………………………..50 3.2.2 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T……………53 3.2.3 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T……………………53 3.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở……………………………………………..54 3.2.5. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang………………. …...55 3.2.6. Chèn khoảng thời gian bảo vệ………………………………............58 3.2.7. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T ……………….60 3.2.8. Điện thoại di động trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T ... 60 3.2.9. Hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB-S………………….61 3.2.10. Hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB-C………….62 3.3 Kỹ thuật OFDM trong Winmax…………………………………………... 64 3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA ………………………………………. 64 3.3.2 Đặc điểm ………………………………………………………….. 65 3.3.3 OFDMA nhảy tần…………………………………………………66 3.3.4 Hệ thống OFDMA……………………………………………….. 68 3.3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian……72 3.3.4.2 Điều chế thích nghi…………………………………………73 3.3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi…………………………………………74 3.3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)……...75 3.3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon…………………………..78 3.3.5 Điều khiển công suất………………………………………………80 3.4 Dịch vụ quảng bá số mặt đất ISDB-T ( Integrated Services Digital Broadcasting – Terrestrial )……………………………………………………….81 3.5 Hệ thống HiperLAN/2 (IEEE802.11a) …………………………………….84 3.6 Thế hệ thông tin di động 4G…………………………………………………84 3.7 Hệ thống DRM………………………………………………………………..85 3.7 Những ứng dụng khác……………………………………………………….87 3.7.1 IEEE802.11g…………………………………………………......... 87 3.7.2 IEEE 802.11h………………………………………………………87 3.7.3 IEEE 802.16a………………………………………………………87 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ......................................................................................15 Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM ....................................................................16 Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản ..................................................................17 Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM .............................................18 Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber ......................................................18 Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM .......................................................19 Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn .............................................................19 Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang ....................................20 Hình 1.9: Các sóng mang trực giao .................................................................23 Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM ........................................................26 Hình 1.11: Tích của hai vector trực giao bằng 0 ..............................................27 Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0...........................................................28 Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau ...........................28 Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số .......................................................29 Hình 1.15: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ................................................31 Hình 1.16: Biểu đồ tín hiệu QPSK ..................................................................34 Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-QAM .................................................................35 Hình 1.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn ........................................................................................36 Hình 1.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM ..............37 Hình 3.1 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB……………………………..47 Hình 3.2 Sơ đồ máy thu DAB……………………………………………...48 Hình 3.3: Bảng tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB……………………….48 Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T………………………………52 Hình 3.5.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự………………………….52 Hình 3.6 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế………………………………………………………53 Hình 3.7. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM………55 Hình 3.8. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4……56 Hình 3.9. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)………56 Hình 3.10. Phân bố các pilot của DVB-T………………………………………57 Hình 3.11. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao……………..58 Hình 3.12. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ ………58 Hình 3.13. Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ………………………..59 Hình 3.14: Sơ đồ khối hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh………………...63 Hình 3.15. Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số……………………………..63 Hình 3.16. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số hữu tuyến……………………..64 Hình 3.17. ODFM và OFDMA………………………………………………….65 Hình 3.18. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA…………………….66 Hình 3.19 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian…………………………………………………67 Hình 3.20 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau…………… 68 Hình 3.21: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA ……………………………68 Hình 3.22 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA …………………………..69 Hình 3.23. OFDMA downlink…………………………………………………69 Hình 3.24 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink ……………………………….70 Hình 3.25 OFDMA uplink………………………………………………………71 Hình 3.26. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink………………………………. 71 Hình 3.27 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian………………72 Hình 3.28 Điều chế thích nghi……………………………………………….. 74 Hình 3.29 Ví dụ về một ma trận mã LDPC …………………………………..76 Hình 3.30 Sơ đồ tạo mã RS …………………………………………………….79 Hình 3.31 Sơ đồ syndrome thu của RS………………………………………. 80 Hình 3.32. Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM………………………….85 Hình 3.33: Sơ đồ khối hệ thống DRM ………………………………………….86 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số bit ngõ vào và số phức ngõ ra của các dạng điều chế .................30 Bảng 1.2: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian .....................................................................33 Bảng 1.3: Bảng mã Gray .................................................................................36 Bảng 3.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T…………..51 Bảng 3.2: Tổng vận tốc dòng dữ liệu……………………………………....60 Bảng 3.3 : Các thông số chính trong chip vi xử lý mRD61530 LSI………62 Bảng 3.4 : Các thông số của ISDB-T (truyền hình)……………………….82 Bảng 3.5 : Các thông số ISDB-T (truyền thanh)…………………………..83 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT 2G Second Generation 3G Third Generation 4G Fourth Generation ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AM Amplitude Modulation ARIB Association of Radio Industries and Business ASK Amplitude Shift Keying AWGN Additive White Gauss Noise BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Divition Multiple Access CFO Carrier Frequency Offset CIR Channel Impulse Response CP Cycle Prefix CPE Common Phase Error DAB Digital Audio Broadcasting DC Direct Current DFS Dynamic Frequency Selection DFT Discrete Fourier Transfrom DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying DRM Digital Radio Mondiale DSBSC Double Side Band Suppressed Carrier DSP Digital Signal Processing BTS Base Transceiver Station DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial FDM Frequency Divition Multiplexing FDD Frequency Division Duplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transfrom FM Frequency Modulation GSM Global System for Mobile HIPER LAN High Performance Local Area Network ICI Inter Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transfrom IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse Fast Fourier Tranfrom IQ Inphase Quadrature ISDB-T Intergrated Service Digital Broadcasting - Terrestrial ISI Inter Symbol Interference ISR ICI to Signal Ratio LAN Local Area Network LOS Line Of Sight MAC Medium Access Control MC-CDMA Multi Carrier Code Divition Multiple Access MFN Multi Frequency Network ML Maximum Likelihood NLOS Non Line Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiplexing PHN Phase Noise PM Phase Modulation PN Pseudo Noise P/S Parrallel to Serial PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RLS Recursive Least Squares SFP Subjective Failure Point SFO Sampling clock Frequency Offset SNR Signal to Noise Ratio S/P Serial to Parrallel SSB Super Smash Bros TCP Transmission Power Control TD Time Domain TDD Time Division Duplexing TDMA Time Division Multiple Access TO Timing Offset UHF Ultra High Frequency VSB Vestigaial Side Band WiMax World Interoperability Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM … OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa song mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Khái niệm truyền dữ liệu song song bằng cách ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) được giới thiệu từ giữa những năm 60. Ý tưởng là sử dụng các luồng dữ liệu song song và FDM với các kênh con gối lên nhau để không phải sử dụng bộ cân bằng tốc độ cao và loại bỏ nhiễu xung, méo đa đường và tận dụng toàn bộ lượng băng thông. Ứng dụng đầu tiên là trong quân sự, trong lĩnh vực viễn thông thuật ngữ đa tần rời rạc (DMT – Discrete Multi-tone), điều chế đa kênh và điều chế đa sóng mang (MCM) được sử dụng rộng rãi và còn được gọi cách khác là OFDM. Vào những năm 80, OFDM được nghiên cứu sử dụng trong các modem tốc độ cao, trong di động số và ghi âm mật độ cao. Một trong những hệ thống sử dụng một tần số pilot cho sóng mang ổn định và điều khiển tần số đồng hồ, mã hóa trellis được thực hiện. Nhiều modem tốc độ cao được phát triển cho mạng điện thoại. Vào những năm 90, OFDM được sử dụng trong truyền dữ liệu băng rộng qua kênh vô tuyến di động FM, đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL, 1.6Mb/s), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL, 1.536 Mb/s), đường dây thuê bao số tốc độ rất cao (VHDSL, 100 Mb/s), quảng bá audio số (DAB) và HDTV. Bên cạnh những lợi ích rất lớn của OFDM, thì mặt hạn chế của nó là vấn đề lỗi đồng bộ (SFO,CFO) và kênh truyền biến đổi theo thời gian. Hoạt động của OFDM rất nhạy với lỗi đồng bộ ở bộ nhận. Lỗi đồng bộ tạo ra nhiễu giao thoa liên sóng mang (ICI), nó sẽ phá hủy tính trực giao giữa các sóng mang OFDM. Mà kỹ thuật OFDM chỉ phát huy được những ưu điểm của nó khi tính trực giao được duy trì. Vì vậy có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào nó để nâng cao chất lượng hoạt động của nó. Trong đó có một phương pháp rất hữu hiệu là Kết hợp ước lượng kênh và đồng bộ sử dụng Pilot Tone cùng với kỹ thuật giảm ICI cho hệ thống OFDM. Phương pháp này ước lượng lệch tần số sóng mang và bù SFO, CFO trong miền thời gian làm giảm ICI. Khi ICI giảm, tính trực giao của kỹ thuật OFDM sẽ được duy trì tốt và các ưu điểm của kỹ thuật được phát huy mạnh mẽ. Ta có thể thấy rằng phương pháp này là một phần quan trọng trong kỹ thuật OFDM. Đồ án này tập trung nghiên cứu sâu về phương pháp hữu hiệu này. Nội dung trình bày đồ án bao gồm: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM Chương 2: Giới thiệu các ứng dụng của OFDM Chương 3: Trình bày các hạn chế gây ảnh hưởng đến OFDM Chương 1 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. 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 (a) Tn s Tn s Tit kim băng thông (b) Hình 1.1: So sánh k thut sóng mang không chng xung (a) và k thut sóng mang chng xung (b). Ch.1 Ch.10 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 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,… x(n) xf(n) h(n) yf(ny(n) Y(k) AWGN Sp S/P P/S IDFT DFT Chèn pilot c lng kênh Chèn di bo v Loi b di bo v