NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM - Tài Liệu Text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản rất đầy đủ của tài liệu tại đây ( 1.13 MB, 82 trang )

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, 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).

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 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 song 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 [2].

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 cũng như các điều kiện cần

thiết để đảm bảo tính trực giao.

 Định nghĩa

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là

s i ( t ) & s j ( t ). Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang

con phải thoả mãn điều kiện sau

1

T

t s +T

1,

∫ s ( t ).s ( t ) dt = 0,

i

*

j

ts

i= j

i≠ j

(2.1)

Trong đó:

e ( j2 πk∆ft ), k = 1,2, N

sk ( t) = 

≠

0,

35

(2.2)

∆f = 1

T là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu,

N là số các sóng mang con và N.∆f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời

gian.

 Minh hoạ

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín

hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau. Các tín hiệu

OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang.

Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên

lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số

nguyên lần của tốc độ ký hiệu. Do đó các sóng mang con là trực giao với

nhau.

Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình

2.1. Trong đó, (2.1.1a), (2.1.2a), (2.1.3a) và (2.1.4a) thể hiện các sóng mang

con riêng lẻ, với tần số tương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz. Pha ban đầu của toàn

bộ các sóng mang con này là 0. (2.1.5a) và (2.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDM

tổng hợp của 4 sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số.

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một

cách tường minh ở hình 2.2. Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con

của OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đường

bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung

tâm. Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng

với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác. Hình 2.2 cho ta thấy với

cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của

OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống.

Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh

hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 2.3.

36

Hình 2.1. Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian

và tần số

Hình 2.2. Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng

mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM

37

Hình 2.3. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở

với 5 sóng mang con

2.3. Hệ thống truyền dẫn OFDM

3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:

s( t) =

∞

∑ sk ( t − kT ) ,

k = −∞

(2.3)

Trong đó sk(t-kT) là tín hiệu OFDM phát phức băng gốc thứ k được xác định

như sau:

N 2 −1



  i 



( t − kT ) 

w

(

t

−

kT

)

x i,k exp  j2π



∑

i = − N/2



  TFFT 





s k ( t − kt ) = kT − Twin − TG ≤ t ≤ kT + TFFT + Twin

0,

NÕu kh¸c







(2.4)

Trong đó:

T

là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT

là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TG

là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

Twin

là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ

38

∆f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

N

là độ dài FFT, số điểm FFT

k

là chỉ số về ký hiệu được truyền

i

là chỉ số về sóng mang con, i∈{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, …., -N/2}

xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu, rỗng)

được điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k.

w(t) xung tạo dạng được biểu diễn như sau:

1

 2 [1 − cos π( t + TG ) Twin ],



w ( t ) = 1,

1

 [1 − cos π( t − TFFT ) Twin ],

2

− Twin − TG ≤ t ≤ −TG

− TG ≤ t ≤ TFFT

(2.5)

TFFT ≤ t ≤ TFFT + Twin

Phân tích (2.4) ta thấy biểu thức này giống như biểu thức của dãy Fourier sau:

∞

u(t) =

∑

c(nf0 )e

j2 πnf0

(2.6)

n = −∞

trong đó các hệ số Fourier phức thể hiện các vectơ của chùm tín hiệu phức

còn nf0 thể hiện các sóng mang con i/T FFT. Trong hệ thống số, dạng sóng này

có thể được tạo ra bằng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Chùm số liệu

xi,k là đầu vào IFFT và ký hiệu OFDM miền thời gian là đầu ra.

Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế vô tuyến được xác định như sau:

sRF (t) =

∞

∑

sRF,k (t – kT)

(2.7)

k = −∞

trong đó sRF,k(t-kT) là tín hiệu OFDM vô tuyến thứ k được biểu diễn như sau:

39

N / 2 −1

 

 

 

1 

 ( t − kT )   ,

 Re w ( t − kT ) ∑ x i ,k exp  j2π  f c +

TFFT 

i= − N / 2

 

 

 



s RF,k ( t − kT ) = 

kT − Twin − TG ≤ t ≤ kT + TFFT + Twin

 0,

NÕu kh¸c







(2.8)

Trong đó fc là tần số sóng mang RF [1].

2.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 2.4 trình bầy sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM điển hình. Theo

đó, dưới đây trình bày vắn tắt chức năng các khối.

Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang

con. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là

các điểm rời rạc. Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT)

chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy

nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì

nó tính hiệu của nó. Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần

lên tần số truyền dẫn vô tuyến.

Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát. Theo đó trước

hết, trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để

phân tích tín hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha

của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở

lại thành dữ liệu số ban đầu.

2.3.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành

dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000

bit. Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương

pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế

sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ

40

thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký

hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu

từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban

đầu.

Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần

số) tác động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh

chóng. Tại điểm đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con

gần điểm này sẽ bị tổn thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do

cơ chế FEC là hiệu quả cao nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung

hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên

hoá như là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành song song. Vấn đề này

được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng mang con của

41

mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit lỗi

trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.

2.3.2.2. Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu

người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế

biên độ và pha. Việc xắp xếp điều chế sóng mang con đối với 16-QAM được

cho hình 2.5, mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ

liệu tương ứng với một vector IQ duy nhất.

Hình 2.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu

16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB

Ảnh hưởng của tạp âm cộng vào tín hiệu phát 16-QAM (kênh AWGN)

được cho ở hình hình 2.5 (b) với SNR thu = 18 Db.

2.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu

tần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền

thời gian. Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu

OFDM trong miền tần số sang miền thời gia Tương ứng với mỗi mẫu của tín

hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu

trong miền tần số (đầu vào của IFFT).

42

Hình 2.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM

Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng

ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0.

2.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu

này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một

trong hai hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: “tương tự” được cho ở

hình 3.7 và “số” được cho ở hình 3.8. Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ

tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các

kênh I và Q.

Hình 2.9 mô tả dạng sóng trong miền thời gian của một tín hiệu

OFDM. Số lượng sóng mang = 500, kích thước FFT = 2000, khoảng thời

gian bảo vệ = 500. Sóng mang điều chế cao tần có tần số f c = 10 GHz.

Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng

tần cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở

lên phổ RF bằng cách dùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 2.7 và

hình 2.8

43

Hình 2.7. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở

phức sử dụng kỹ thuật tương tự

Hình 2.8. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở

phức sử dụng kỹ thuật số

Bộ điều chế IQ sẽ dịch phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức

lên vùng tần số vô tuyến, và chuyển từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy

phần thực). Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực và nó chỉ biến đổi giá trị

cường độ trường.

Một tín hiệu thực sẽ tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức

có tần số trung tâm là 0 Hz trộn với tần số sóng mang ở bộ điều chế IQ.

44

fc =

W

+ f off

2

(2.9)

Hình 2.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Trong đó f c là tần số sóng mang để dịch tín hiệu OFDM từ băng tần cơ

sở phức lên tín hiệu OFDM cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu và

f off là tần số dịch từ DC, xem hình 2.10. Trong các ứng dụng hữu tuyến như

ADSL, hầu hết các sóng mang con đều có tổng độ dịch DC thấp hơn độ rộng

băng tần tín hiệu. Điều này có ý nghĩa rằng có thể trực tiếp tạo tín hiệu thực

bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ để chuyển

dịch tần số.

Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con

sử dụng cho điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT

sẽ có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số

thấp hơn.

45

Xem thêm: Các nguyên tắc truyền máu cơ bản

Xem thêm: Sơ đồ bộ máy nhà nước thời Trần: Điểm tích cực & hạn chế