Đồ án tốt nghiệp
Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục.
Chương 4: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.
Chương 5: Chương trình mô phỏng và hường phát triển đề tài.
Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của
thầy Nguyễn Văn Tuấn và các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử-Viễn Thông ĐH
Bách Khoa Đà Nẵng.
Đà Nẵng, tháng 6 năm 2008
Sinh viên
Phan Thị Minh Huyền
- -
5
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
1.1. Giới thiệu chương
Wimax được phát triển dựa trên công nghệ OFDM. Vì thế trước khi đi vào
Wimax, ta tìm hiểu về những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM. Trong chương
này giải thích một cách dễ hiểu nhất về sự trực giao sóng mang theo tần số, từ đó đưa
ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các sơ đồ điều chế
của kỹ thuật này.
1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM[1]
Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng
lấn nhau trên cùng một
độ rộng băng tần cấp phát
của hệ thống. Việc xếp chồng
lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần
được cấp phát dẫn
đến không những
đạt
được hiệu quả sử dụng phổ tần cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi
truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi
được kết hợp với các kỹ thuật mã
hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện
đáng kể. So với hệ
thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống thì,
ở FDM cũng
truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không
được phép
chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu
độ
phức tạp bộ lọc thu) dẫn
đến hiệu quả sử dụng phổ tần kém.
Vậy làm thế nào tách
các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách
khác sau khi được tách ra
chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số
(ICI) và giao thoa nhau trong miền thời gian (ISI). Câu trả lời và cũng là vấn
đề
mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao
của các sóng mang con. Vì
vậy ta kết luận rằng nhờ
đảm bảo
được tính trực giao của các sóng mang con
cho
phép truyền dẫn
đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn nhưng phía thu vẫn
tách chúng ra
được,
đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín
hiệu số và tần dụng tối
đa
ưu việt của VLSI.
Theo
đó trước hết ta
định nghĩa tính
trực giao, sau
đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM
hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM
- -
9
Đồ án tốt nghiệp
cũng như các
điều kiện cần thiết
để
đảm bảo tính trực giao.
1.3. Đa sóng mang (Multicarrier)
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 sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, dựa trên cơ sở
dữ liệu của các sóng mang khác có thể khôi phục lại dữ liệu có ích.
HDo vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ
được thu chính xác. Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi
FEC-Forward Error Correction. Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các
bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng
mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
- -
i
b
1
cos(2 )f t
π
2
cos(2 )f t
π
cos(2 )
N
f t
π
( )s t
S/
S/
S/
P
P
P
∑
cos(2Π f
2
t)
cos(2Π f
N
t)
S
/
P
cos(2Π f
1
t)
b
i
S(t)
Hình 1.2. Sự tạo ra tín hiệu OFDM
Hình 1.1. Sự trực giao của các sóng mang
10
Đồ án tốt nghiệp
Giải pháp khắc phục việc 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 trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này là được phép nếu khoảng cách giữa các
sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp
các sóng mang trực giao với nhau. Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực
giao (OFDM).
Cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp phương
pháp này đã được thực hiện một cách dễ dàng.
1.4. 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.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm
trực chuẩn (Orthonomal basis) {{Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau:
Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định
nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau(tạo
nhau một góc vuông 90) 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.
- -
Hình 1.3. FDM thông thường và OFDM
(1.1)
11
Đồ án tốt nghiệp
. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai
dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông
tin này là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
Hình 1.4. Tích của hai vectơ trực giao bằng 0
Nếu chúng ta nhân và cộng(tích
phân) hai dạng sóng sin có tần số khác
nhau. Ta
nhận thấy quá trình này
cũng bằng 0.
Vậy hai sóng sin khác tần số thì tích
phân của chúng sẽ bằng không và ngược lại. Điều này gọi là tính trực giao của dạng
sóng sin. Hình 1.5 và 1.6
.
- -
Hình 1.5.Tích phân của hai sóng sin khác tần số
12
Đồ án tốt nghiệp
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 nhận được 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 về không ngoại trừ sóng mang được
nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra, hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó
đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng
mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.
1.4.1. Mô tả toán học của OFDM
Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức:
S
c
(t) = A
c
(t)e
j[ωct + Фc(t)]
(1.2)
Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t). Cả Ac(t) và Фc(t) (biên độ và pha tương
ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol bởi symbol cơ bản.
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
phức Sc(t) được thể hiện bởi công thức :
S
s
(t) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
A
n
(t)e
j[ωnt + Фn(t)]
(1.3)
Trong đó : ω
n
= ω
o
+nΔω
- -
Hình 1.6. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
13
Đồ án tốt nghiệp
Tất nhiên, đây là một tín hiệu liên tục. Nếu ta xem các dạng sóng của mỗi
phần tử tín hiệu trên một chu kỳ symbol thì các biến số Ac(t) và Фc(t) và nhận các
giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể đó, như
vậy có thể viết lại như sau:
Фn(t) → Фn
An(t) → An
Nếu tín hiệu 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 :
S
s
(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
A
n
e
j[(ω0 + nΔω)kT + Фn]
(1.4)
Ở đây, chúng ta chia tín hiệu thành N mẫu. Nó thuận lợi để lấy mẫu trong một
chu kỳ của một symbol dữ liệu. Vì thế có mối liên hệ : τ=NT
Nếu bây giờ đơn giản biểu thức trên mà không làm mất tính tổng quát bằng
cách cho ω
o
= 0, thì tín hiệu trở thành :
S
s
(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
A
n
e
jФn
e
j(nΔω)kT
(1.5)
Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức này với dạng tổng quát của biến đổi Fourier
ngược:
g(kT) =
∑
−
=
1
0
1
N
n
N
G(
NT
n
)
e
j2пnk/N
(1.6)
Trong biểu thức (1.5), hàm số A
n
e
jФ
giống như định nghĩa của tín hiệu trong
khoảng tần số lấy mẫu và S
s
(kT) là một biểu diễn trong miền thời gian.
Biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương nếu :
Δf=
NT
1
=
τ
1
Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo
toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách biến đổi
Fourier.
- -
14
Đồ án tốt nghiệp
1.4.2. Trực giao miền tần số
Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số
sinc(sin(x)/x). Kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng
cách sóng mang. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm
dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số
trung tâm và một số giá trị null được đặt theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách
sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ
tương ứng với Nulls của các tải phụ khác. Khi tín hiệu này được phát hiện nhờ sử
dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
1.5. Tạo và thu OFDM
Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của
các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian
nhờ sử dụng biến đổi fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform). Biến
đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán
như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng
trong tất cả các hệ thống thực tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian
được tính toán phách lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với
máy phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi
- -
Hình1.7. Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM
15
Đồ án tốt nghiệp
Fourier nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ và pha của các
tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số.
1.6. Điều chế tải phụ
Cứ mỗi lần tải phụ được phân phối bit để truyền, chúng được ánh xạ vào biên
độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha và
vuông pha. Hình 1.8 là ví dụ của ánh xạ điều chế tải phụ. Nó chỉ ra chòm sao 16-
QAM, ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol. Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 vectơ
duy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ. Một số lớn sơ đồ điều chế là có sẵn,
cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol
Hình 1.8. Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ,16 – QAM, với mã gray dữ
liệu tới mỗi vị trí.
1.7. Các sơ đồ điều chế
Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chế
trên mỗi tải phụ. Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực(đồng
pha) và phức (vuông pha), được biết như chòm sao IQ(inphase Quadrature). Số bit có
thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log
2
(M) với M là số các điểm
trong chòm sao. Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm
sao. Vectơ phức hợp thành I +јQ tương ứng với biên độ
22
QI
+
và pha argument (I+
- -
16
Đồ án tốt nghiệp
јQ) với ј=
1
−
. Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dải thông truyền,
do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu
quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông). Tuy nhiên số điểm trong giản đồ chòm sao càng
lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu. Đó là vì khi
đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhỏ nhiễu là có thể
gây ra lỗi truyền.
* Mã GRAY
Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các liên hợp từ
dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất. Mã
Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong
vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit . Mã Gray có
thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK(BPSK,QPSK, ) và
QAM(16QAM, 64QAM, 256QAM ).
Bảng 1.1. Mã Gray
- -
17
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét