intTypePromotion=1
ADSENSE

Đồ án Tốt nghiệp: Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Chia sẻ: Trạc Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

20
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài có cấu trúc gồm 4 chương trình bày tổng quan về thông tin vô tuyến, nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đồng bộ trong OFDM, kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án Tốt nghiệp: Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

  1. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang, đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình viết đồ án tốt nghiệp. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng, đặc biệt là các Thầy, Cô trong Ngành Tin Học Viễn Thông Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 3 năm học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án mà còn là hành trang quí báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Tôi cũng thầm biết ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè những người thân yêu luôn là chỗ dựa vững chắc cho tôi. Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý. Đà Nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện Hồ Thị Tường Vi Trang i
  2. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ iv DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................... vii LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN ..................................... 2 1.1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN.......................................... 2 1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ..................................................... 3 1.3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN ........................................................ 4 1.3.1. Suy hao truyền dẫn ........................................................................................... 4 1.3.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) ................................................. 5 CHƯƠNG II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM ..................................... 9 2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM ...................................................................................... 9 2.2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL) .................................... 12 2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM ............................... 12 2.2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM .................................... 13 2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM .......................................................................... 14 2.4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC ......................................................................................................................... 16 2.4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục ......................................................................... 16 2.4.1.1. Nhiễu ISI và những ảnh hưởng ................................................................16 2.4.1.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI ..................................................17 2.4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục ......................................................................... 18 2.4.2.1. Nhiễu ICI và những ảnh hưởng................................................................18 2.4.2.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI .........................................................18 2.4.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray ......................... 18 2.4.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần ............................................................... 20 2.4.4.1. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng. ........................................20 2.4.4.2Phương pháp dùng bộ lọc băng thông ........................................................21 CHƯƠNG III. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ....................................... 24 3.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 24 3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ................................................ 24 Trang ii
  3. 3.2.1 Nhận biết khung .............................................................................................. 25 3.2.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE .................................................. 27 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân ........................................................................28 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên ............................................................................29 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư .................................................................................... 30 3.3. ĐỒNG BỘ KÍ TỰ ................................................................................................. 31 3.3.1. Đồng bộ kí tự dựa vào tiền tố lặp CP ............................................................ 31 3.3.2. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot ........................................................................... 35 3.3.3. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC .......................................... 36 3.4. ĐỒNG BỘ TẦN SỐ.............................................................................................. 40 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu .................................................................................. 41 3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang .............................................................................. 42 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot ..............43 3.4.2.2 Ước lượng CFO dựa vào tiền tố lặp CP ...................................................44 3.4.2.3 Ước lượng khoảng dịch tần số dựa trên chính dữ liệu ...........................46 3.5. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 49 CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDMA .................................... 50 4.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 50 4.2. CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT OFDMA ................................................................. 50 4.2.1. Các giao thức OFDMA ................................................................................... 51 4.2.1.1 Phân hóa kênh con......................................................................................51 4.2.1.2. Sự ánh xạ các bản tin.................................................................................51 4.2.1.3. Sự sắp xếp ..................................................................................................52 4.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con .............................................. 52 4.2.3 Đặc điểm ......................................................................................................... 55 4.2.4 Phương pháp ghép (Duplexing) .................................................................... 57 4.3. PHÂN TÍCH KHUNG DOWNLINK VÀ PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ OFDMA ........................................................................................................................ 58 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................... 61 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ ix NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ................................................................ x Trang iii
  4. DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang hình Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin 2 Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 6 Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số 8 Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số 8 Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM 10 Hình 2.2 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số 14 Hình 2.3. Mô hình của hệ thống OFDM 15 Hình 2.4 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI 16 Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 17 Hình 2.6 Sơ đồ chòm sao 16-QAM 20 Hình 2.7 Cấu trúc khoảng bảo vệ RC 21 Hình 2.8 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser β=3.4 22 Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM 25 Hình 3.2 Nhận biết khung truyền 26 Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN 27 Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 32 Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu 32 Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan 34 Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế 35 Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC 37 Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC 38 Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR 39 Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ 40 Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ 41 Trang iv
  5. Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ 42 Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO 43 Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP 45 Hình 3.16 Khung OFDM 47 Hình 4.1 OFDM 51 Hình 4.2 ODFMA 51 Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 52 Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL 53 Hình 4.5 Mô hình AMC 54 Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC 54 Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA 55 Hình 4.8 ODFM và OFDMA 56 Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD 58 Trang v
  6. DANH MỤC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang bảng Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu. 7 Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray 19 Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 48 Trang vi
  7. CÁC TỪ VIẾT TẮT A AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Ghép kênh đa sóng mang trực Division Multiplexing giao thích nghi AMC Adaptive Modulation and Codding Mã hóa và điều chế thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng (nhiễu cộng) A/D Analog/Digital Chuyển đổi Tương tự/Số B BER Bit Error Ratio Tỷ lệ bit lỗi BLER Block Error Ratio Tỷ lệ lỗi theo khối BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp D DL Downlink Đường xuống DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số DPLL Digital Phase Losked Loop Vòng khóa pha số DSP Digital Signaling Process Bộ xử lý tín hiệu số DVB-T Digital Video Broadcasting – Truyền hình số mặt đất Terrestrial D/A Digital/Analog Bộ chyển đổi Số/Tương tự F FCH Frame control header Khung tiêu đề điều khiển FDD Frequency Division Deplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Furier nhanh I IEEE Institute of Electrical and Electronic Học viện của các kỹ sư điện và Engineers điện tử ISI Inter-Symbol Interface Nhiễu liên kí tự ICI Inter-Channel Interface Nhiễu liên kênh IQ Inphase-Quaderature Trang vii
  8. M MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra MMSE Minimum Mean Square Error Bộ lọc trung bình bình phương tối thiểu O OFDM Orthoganal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao OFDMA Orthoganal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần Multiple Access số trực giao P PC Personal Computer Máy tính cá nhân PLL Phase Losked Loop Vòng khóa pha Q QAM Quaderate Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến S SNIR Signal Noise – Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm + nhiễu SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm T TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Ghép kênh phân chia theo thời gian W WiMax Worldwide Interoperability for Khả năng khai thác liên mạng Microwave Access trên toàn cầu đối với truy cập vi ba Z ZF Zero Forcing Bộ lọc ép không Trang viii
  9. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu. Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ. Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt Hàn cùng với sự định hướng, giúp đỡ của cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang, em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA”. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt Hàn đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong quá trình thực hiện đồ án này. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 1
  10. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN (Mô hình kênh) Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế (source coding) (channel coding) (modulation) Kênh vô tuyến (channel) Tín hiệu Giải mã nguồn Giải mã kênh Giải điều chế đích (source (Channel (Demodulation) (Destination) decoding) Decoding) Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền đi được xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến.  Kênh truyền Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 2
  11. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA  Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn.  Sóng mang Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tuy nhiên, nhờ sóng mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin.  Quản lý tài nguyên vô tuyến Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp. Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất. Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu. 1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ thống phát thanh và truyền hình. Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ảnh. Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như hệ thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm). Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 3
  12. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Có thể phân loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường và ở khoảng cách ngắn). 1.3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ … và do đó gây ra hiện tượng đa đường. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa đường, … đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến. 1.3.1. Suy hao truyền dẫn Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R  PR  PT GT GR (1.1) 4 R _ PR : Công suất tín hiệu thu được (W) _ PT : Công suất phát (W) _ GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) _ GT : Độ lợi anten phát _  : bước sóng của sóng mang _ R: bán kính truyền sóng vô tuyến Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: Lpt (db)  PT (db)  PR (db)  10 lg(GT )  10 lg(GR )  20 lg( f )  20 lg( R)  47, 6(db) (1.2) Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 4
  13. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau: Lpt (db)  10 lg(GT )  10 lg(GR )  20 lg(hBS )  20 lg(hMS )  40 lg( R) (1.3) Với _ hBS , _ hMS
  14. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Tán xạ LOS Phản xạ Nhiễu xạ Phát Thu Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các thành phần mà ta sẽ thu được - Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha. Tăng cường ở đây không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều hơn. - Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần ngược pha  Fading nhanh và fading chậm Ta xem xét 2 loại fading xem xét về mặt thời gian - Fading nhanh: gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh thiết bị thu. Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có thời gian truyền khác nhau. Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay pha tín hiệu. Mỗi tín hiệu sẽ bị quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hay suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha. - Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên. Sự thay đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100 lần bước sóng) và phụ thuộc kích thước vật cản gây nên. Sự thay đổi này xảy ra chậm nên được gọi là fading chậm. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 6
  15. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA  Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng Đây là 2 loại fading xem xét về mặt tần số. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường là khác nhau nên sự thay đổi pha cũng sẽ khác nhau. Định nghĩa: Băng thông Coherent BC là độ rộng băng thông ∆f khi hệ số đường bao kết hợp giữa 2 tín hiệu bằng một nửa giá trị lớn nhất của nó. 1  ( Bc ,  )   0.5 (1.4) 1  (2 Bc ) 2 . 2 Trong đó: δ: độ trải trễ tùy theo môi trường truyền vô tuyến. Băng thông Coherent: 1 1 Bc   (1.5) 2 6 Một số giá trị phổ biến đột trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau. Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu. Môi trường Độ trải trễ Bên trong các tòa nhà < 0.1μs Ngoài trời < 0.2μs Ngoại ô 0.5μs Thành thị 3 μs Đối với mỗi môi trường có độ trải trễ khác nhau ta sẽ tính được băng thông Coherent tương ứng. - Fading lựa chọn tần số: nếu băng thông của tín hiệu đã điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau. Các kênh lựa chọn tần số được gọi là kênh phân tán thời gian. Bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung cũng bị thay đổi. Tức tín hiệu truyền qua kênh này sẽ bị méo nghiêm trọng. - Fading phẳng: độ rộng băng thông của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có đặc tính fading như nhau. Với fading phẳng thì chỉ có biên độ của xung thay đổi. Mọi kênh truyền vô Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 7
  16. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần số vô tuyến. Tuy nhiên, kênh truyền có thể được xem là bằng phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó. Hình 1.3 là một ví dụ về đáp ứng của kênh lựa chọn tần số. Qua đó ta thấy ở các tần số khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng cả về biên độ và pha khác nhau và vì thế sẽ khó có thể khôi phục dữ liệu một cách chính xác như ban đầu. Vấn đề fading lựa chọn tần số sẽ là vấn đề gây khó khăn trong việc dự đoán đường truyền khi truyền thông vô tuyến. Nó gây ra méo tuyến tính. Tuy nhiên, với kỹ thuật OFDM, bằng việc chia nhỏ tín hiệu thành nhiều sóng mang con để truyền, mỗi sóng mang con chỉ chiếm một dải tần hẹp đủ để thỏa mãn không còn bị fading chọn lọc tần số mà chỉ bị fading phẳng nên đã giải quyết được vấn đề này một cách dễ dàng. Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 8
  17. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA CHƯƠNG II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM 2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến. Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B. Toàn hệ thống được điều chế trên 1 sóng mang duy nhất f 0. Tần số lấy mẫu của tín hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là: TSC (s)  1/ B( Hz) (2.1) Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số. Tần số lấy mẫu rất lớn nên chu kỳ lấy mẫu (độ dài 1 mẫu tín hiệu) sẽ rất bé.  Nhược điểm của phương pháp: - Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên nhiễu gây liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu. - Ảnh hưởng sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn. - Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Hiện nay, điều chế đa sóng mang chủ yếu được dùng trong hệ thống thông tin băng hẹp, GSM … Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (ghép kênh phân chia theo tần số), toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau. Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng: Bn  B / N (2.2) B: bề rộng cả băng tần hệ thống (Hz). Bn: bề rộng mỗi kênh phụ (Hz). N: số kênh phụ. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 9
  18. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Độ dài 1 mẫu tín hiệu: TMC  1/ Bn  N / B. (2.3) Độ dài 1 mẫu tín hiệu trong điều chế FDM dài gấp N lần độ dài mẫu trong điều chế đơn sóng mang. Chính vì thế, nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến 1 số ít mẫu tín hiệu.  Khắc phục được 1 số hạn chế của phương pháp điều chế đơn sóng mang: - Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể. - Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể. - Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm.  Những nhược điểm vẫn còn: - Độ dài 1 mẫu tín hiệu tăng lên, do đó hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh. - Giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang FDM. OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi sóng mang phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại. Điều này cho phép đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ. OFDM được sử dụng nhiều trong thông tin vô tuyến. Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM Hình 2.1 cho ta thấy rõ ưu điểm trong việc sử dụng tài nguyên vô tuyến đó chính là tần số. Các sóng mang con trong OFDM thì chồng lấn lên nhau nên dải tần mà kỹ thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với các kỹ thuật trước là đơn sóng mang và đa sóng mang không trực giao FDM. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 10
  19. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Qua bản chất của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy những ưu điểm và khuyết điểm của kỹ thuật này:  Ưu điểm của OFDM - OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng cách cho phép chồng lấn những sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục dữ liệu. Phù hợp thiết kế hệ thống băng rộng. - Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. - OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng. Các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. - Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ. - IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản. - Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang. Ngoài những ưu điểm thì kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế.  Nhược điểm: - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở cả phía phát và phía thu. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu trên năng lượng trung bình PARR cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. - Sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm hiệu suất sử dụng phổ do mang thông tin không có ích. - OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai số đồng bộ. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 11
  20. Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM. 2.2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL) “ORTHOGONAL” (Sự trực giao) 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 tính toán đặt trước các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Tuy nhiên có thể sắp xếp, tạo ra 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 như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Nếu mất tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ tạo ra sự chồng lặp hỗn độn và làm cho đầu thu khó khôi phục lại hoàn toàn dữ liệu thông tin ban đầu. Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và thực hiện tích phân trên một chu kỳ tín hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu. 2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM Xét một tập các sóng mang con f n (t ) (n = 0,1,2, … N-1) Các sóng mang con trực giao với nhau khi thỏa mãn 0,n  m t2  t1 f n (t ). f m* (t )dt   k ,n  m (2.4) Trong đó, fn : sóng mang phụ thứ n fm* : liªn hiÖp phøc sãng mang phô thø m k là hằng số không phụ thuộc vào T, n hoặc m. Trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể viết là f n (t )  exp( j 2 f nt ) f n  f0  f  f 0  n T Trong đó, f0: tần số offset ban đầu. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 12
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2