Slide Bài Giảng Đa Truy Nhập Vô Tuyến Chương 6 Fdmatrực Giao

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.49 MB, 56 trang )

BÀI GIẢNG

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN
Bộ mơn:
Khoa:

Vơ tuyến
Viễn Thơng 1

www.ptit.edu.vn

CHƯƠNG 6:

FDMA TRỰC GIAO
VÀ CDMA ĐA SÓNG MANG

2

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

NỘI DUNG
• 6.1 Giới thiệu
• 6.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM
• 6.3 Hệ thống OFDM

• 6.4 Hệ thống OFDMA nhẩy tần
• 6.5 CDMA đa sóng mang, MC-CDMA

• 6.6 Câu hỏi và bài tập

3

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

NỘI DUNG
• 6.1 Giới thiệu
• 6.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM
• 6.3 Hệ thống OFDM

• 6.4 Hệ thống OFDMA nhẩy tần
• 6.5 CDMA đa sóng mang, MC-CDMA
• 6.6 Câu hỏi và bài tập

4

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.1 Giới thiệu
• Ngun lý FDM
• Băng tần làm việc được chia thành các băng tần con, mỗi băng tần con được ấn

định cho một kênh. Các kênh được truyền đồng thời với các tần số khác nhau

• Giữa các kênh cần khoảng bảo vệ, tránh ảnh hưởng lẫn nhau
• Máy thu lựa chọn sóng mang cần thu theo tần số phù hợp

Tần số
Trạm gốc
N

f

t

1

f
2

1

FDMA

t

f

B

N

2

2

t

1

a)
N
FDMA

Thời gian

Hình 6.2. Hệ thống FDMA
5

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.1 Giới thiệu
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)
• Phân chia tổng độ rộng băng tần cần truyền vào một số sóng mang
con và truyền đồng thời các sóng mang này
• Các sóng mang con trực giao với nhau
• Đặc điểm
• Luồng số tốc độ cao được phân thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn
• Độ rộng băng tần sóng mang con nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh (B < Bc)
• Tăng độ dài ký hiệu lớn hơn độ trễ của kênh phân tán thời gian

• Giảm ảnh hưởng của kênh truyền phân tán
• Giảm ảnh hưởng của trễ đa đường
• Chuyển đổi kênh phadinh chọn lọc thành kênh phadinh phẳng

6

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.1 Giới thiệu
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)
• Được sử dụng rộng rãi:
• Truyền hình số mặt đất, truyền hình số di động, truyền hình cáp
• Các chuẩn mạng Lan 802.11 a/g/n/ac
• WiMAX
• ADSL

• LTE và LTE Advanced
• …

7

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.1 Giới thiệu

• OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
• Mỗi người sử dụng được cấp phát một số sóng mang con trong tập
sóng mang con của hệ thống
• Đặc điểm
• Các sóng mang con phải trực giao với nhau (khơng tương quan)
• → Mật độ phổ cơng suất các kênh con có thể chồng lấn lên nhau mà khơng gây

nhiễu
• Thu hẹp khoảng bảo vệ giữa các băng con
• Tăng dung lượng hệ thống (nâng cao hiệu suất sử dụng tần số: gần 50%)
a)

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K8

K9

Hình 6.2. So sỏnh a) FDMA
v (b) OFDMA

K10

Tần số
b)

Tiết kiệm độ rộng băng tÇn

TÇn sè

8

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

6.1 Giới thiệu
OFDM
Nguyên lý:
Phân chia tổng băng thơng cần truyền vào một số sóng mang con trực giao
để có thể truyền đồng thời các sóng mang này.
Ý nghĩa:
Giảm tốc độ luồng số → Tăng độ dài ký hiệu Ts → Giảm ảnh hưởng của trễ
đa đường

OFDMA
Nguyên lý:

Xây dựng trên cơ sở nguyên lý OFDM. Mỗi người sử dụng được cấp
phát một số sóng mang con trong tổng số sóng mang con khả dụng của hệ
thống.
Ý nghĩa:
Sử dụng các sóng mang con trực giao → Tăng dung lượng hệ thống
9

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

NỘI DUNG
• 6.1 Giới thiệu
• 6.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM
• 6.3 Hệ thống OFDM

• 6.4 Hệ thống OFDMA nhẩy tần
• 6.5 CDMA đa sóng mang, MC-CDMA
• 6.6 Câu hỏi và bài tập

10

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.2 OFDM
• Ngun lý

• Tập N sóng mang con, được điều chế và truyền song song (đồng
thời)
• Tín hiệu OFDM
N/ 2 1

s(t)

X i ,kg k (t
k

g i (t)

i

kT

(6.1)

N/ 2

e j2 fi t , t
0 , t

0,T
0,T

(6.2)

T: Thời gian ký hiệu OFDM;
fi: Tần số sóng mang con i

Xi,k: Tín hiệu điều chế của ký hiệu OFDM thứ k truyền trên sóng mang con i
gi(t): Sóng mang con thứ i

11

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.2 OFDM
• Điều kiện trực giao của các sóng mang con
1

t s +T
*

g i (t).g (t)dt =

T

ts

1, nÕu i =

(6.3)

0, nÕu i

• Số chu kỳ sóng mang con trong một ký hiệu OFDM (T) là một số ngun

• PSD của sóng mang con
g

f

sin c

f

fi T

sin c

f

i
T
T

(6.4)

• Giá trị cực đại búp chính PSD của một sóng mang con xảy ra tại tần

số f = i/T, tại đây các sóng mang con khác đều có PSD bằng không

12

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.2 OFDM
• Mơ tả tín hiệu OFDM
a) Ví dụ sử dụng 4 sóng mang
OFDM trong miền thời gian
1
0,8

b) Ví dụ sử dụng 4 sóng mang
OFDM trong miền tần số
0,8

0,6
0,4
0,2

0,6
0,4

0
-0,2

0,2

-0,4
0

-0,6
-0,8

-1

-0,2

T

1/T

Thời gian
Hình 6.3. Thí dụ về sử dụng bốn sóng mang con cho một ký hiệu OFDM

Tần số

13

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.2 OFDM
• Mơ tả tín hiệu OFDM

14

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.2 OFDM
• BPSK

15

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.2 OFDM
• Q trình giải điều chế
• Do các sóng mang con trực giao nên nhờ bộ tương quan ta có thể
tìm lại ký hiệu OFDM

X i ,k

1
T

(k 1)T

s(t)g i* (t)

(6.5)

kT

• Trong thực tế, các tín hiệu OFDM tạo ra bằng xử lý số
• Q trình điều chế : Thực hiện bằng IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)

• Q trình giải điều chế : Thực hiện bằng FFT (Fast Fourier Transform)

16

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.2 OFDM
Phía phát

Phía thu

N/ 2 1

s(t)

X i ,kg k (t
k

i

kT

X i ,k

N/ 2

g i (t)

e j2 fi t , t
0 , t

i

N/2

s(t)g i* (t)
kT

Fk (t)
k

N/2

X i ,kg i (t

(k 1)T

s(t)

0,T
0,T

N/2

Fk (m)

1

T

kT)
t

k

m
T
N

X i ,k e
i

j2

i.m
N

IDFT(X i ,k )

N/2

T : thời gian của một ký hiệu OFDM;
Xi,k : ký hiệu điều chế được truyền trên sóng mang con trong khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ k;
N : số sóng mang con (được chọn bằng lũy thừa của 2)
fi : tần số sóng mang con.
Fk(t): ký hiệu OFDM trong thời điểm truyền ký hiệu thứ k
IDFT: biến đổi fourrier rời rạc ngược

17

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

NỘI DUNG
• 6.1 Giới thiệu
• 6.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM
• 6.3 Hệ thống OFDM

• 6.4 Hệ thống OFDMA nhẩy tần
• 6.5 CDMA đa sóng mang, MC-CDMA
• 6.6 Câu hỏi và bài tập

18

www.ptit.edu.vn

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

6.3 Hệ thống OFDM
• Sơ đồ hệ thống OFDM
• Hướng phát:
• Luồng bit được chia thành các khối với Nlog M bit (M: số trạng thái điều chế)
2

• Mỗi khối bit biến đổi thành N ký hiệu điều chế song song x , mỗi ký hiệu xác định

i,k

một điểm tín hiệu trong chùm tín hiệu điều chế
• N sóng mang con được sử dụng để biểu diễn N ký hiệu điều chế song song qua
phép biến đổi IFFT, nhận được Xi,k
• Tập N sóng mang con trực giao tạo nên một ký hiệu OFDM với thời gian T
FFT
• Tín hiệu OFDM được chèn khoảng bảo vệ và tạo cửa sổ
• Khoảng bảo vệ TGD: Phải lớn hơn trễ trội cực đại kênh phadinh
• Đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con: Tránh ICI
(InterCarrier Interference)
• Phân cách các ký hiệu OFDM: Tránh ISI
(InterSymbol Interference)

19

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.3 Hệ thống OFDM
• Sơ đồ hệ thống OFDM
Luồng bit phát
Khối k gồm N.log 2 M bit
(M= mức điều chế)

Luồng bit thu

Chuyển đổi

luồng bit
vào các ký
hiệu

xN

Chuyển đổi
các ký hiệu
vào luồng
bit

X 0,k

x0,k
x1,k

Chuyển đổi
trực giao
đảo (IFFT)

XN

1,k

y 0,k
y1,k

yN

1,k

X 1,k

Chèn
khoảng
bảo vệ/
cửa số

X k (t)

P/S
sRF (t)

MOD

1,k

Kênh
truyền
cộng
tạp âm

Y0,k

Chuyển đổi
trực giao
(FFT)

Y1,k

YN

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

DeMOD

s'RF (t)
Yk (t)

1,k

S/P

Hình 6.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

M: mức điều chế
N: số sóng mang con
k : ký hiệu thứ k

Ví dụ:
16QAM M=16 → log₂16=4
→1 ký hiệu chứa 4 bít
20

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.3 Hệ thống OFDM
Biểu đồ chùm tín hiệu 16 QAM

1
0,75

0000

0001

0011

0010

1000

1001

1011

1010

1100

1101

1111

1110

0100

0101

0111

0110

0,5

Phần ảo [I]

0,25

Ví dụ:
16QAM M=16
→ log₂16=4
→1 ký hiệu chứa 4 bít

0
-0,25
-0,5

-0,75
-1
-1

-0,75 -0,5

-0,25
0
0,25
Phần thực [R]

0,5

0,75

1

Hình 6.5. Chùm tín hiệu 16-QAM

21

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

6.3 Hệ thống OFDM
Miền tần số

Miền thời gian
Bắt đầu ký
hiệu OFDM

TGD

N sóng mang con trực

giao

Song song thành nối tiếp

IFFT

Số liệu điều chế cuả
sóng mang con:
Vectơ IQ
Các sóng
mang con
bằng khơng

TFFT

Tín hiệu
OFDM băng gốc
đầu ra

Chèn khoảng bảo
vệ và tạo cửa sổ

Thời gian

Tạo băng tần bảo vệ trước tần số Nyquist
đảm bảo độ dốc của bộ lọc tương tự

22

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

Xử lý IDFT (IFFT)
H

xk = W Xk
i ,m
WN

1
N

e

2
j
.i.m
N

1
1
WH

1
1
N
1

x 0,k , x1,k ,..., x N
víi i,m

1
e
e

e

1

j

2
.1.1
N

j

2
.1.2
N

j

0,1,..., N

e
e

2
.1.( N 1)
N

e

j

j

j

2
.2.1
N

2
.2.2
N

2
.2.( N 1)
N

e
e

e

j

j

j

1

2
.3.1
N

j

2
.3.( N 1)
N

1,k N 1

1

1

2
.3.2
N

T

e

e

e

2
.( N 1).1
N
j

2
.( N 1).2
N

j

2
.( N 1).( N 1)
N
NxN

X k =  X 0,k , X1,k ,..., X i,k ,..., X N-1,k  : vectơ thể hiện N mẫu trong miên tần số X i,k  , i=0,..N-1
T

x k = x 0,k ,x1,k ,...,x m,k ,...,x N-1,k 

( .)

T

T

: vect¬ thĨ hiƯn N mÉu trong miªn thêi gian x m,k  , m=0,..N-1
: phep chuyÓn vi
23

A TRUY NHP Vễ TUYN

www.ptit.edu.vn

X lý IDFT (IFFT)
Hệtuyên tinh

xk

WH

=

Dầu ra IFFT
(tập cá c mẫu miên thời gian)

Toá n tử IFFT
(Ma trËn thùc hiÖn IFFT)

1
1
1
1

N
1

1
e
e

e

j

Xk

j

2
.1.1
N

j

2
.1.2
N

2
.1.( N 1)
N

e

e

e

j

j

1

2
.2.1
N

e

2
.2.2
N

2
.2.( N 1)
N

j

e

e

j

1

2
.3.1
N

j

e

2
.3.2
N

e

2
.3.( N 1)
N

e

j

j

j

2
.( N 1).1
N

2
( N 1).2
N

2
.( N 1).( N 1)
N
NxN

Ma trËn thùc hiện IFFT

x m ,k

1
N

T
1,k

Dầu vào IFFT
(tập cá c mẫu miên t©n sè)

1
j

x 0,k , x1,k ,..., x N

N 1

X i,k e

X 0,k

x 0,k

X1,k

x1,k

X i,k

x m,k

XN

2,k

xN

2,k

XN

1,k Nx1

xN

1,k Nx1

TËp c¸ c mÉu trong miên
tần số đầu vào IFFT

j

2
.i.m
N

với m

Tập cá c mẫu trong miên
thời gian đầu ra IFFT

0,1,..., N 1

i 0
24

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

www.ptit.edu.vn

Xử lý DFT (FFT)

X k = Wx k