hệ thống dùng ofdm qua kênh truyền awgn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO ĐỀ TÀI
HỆ THỐNG DÙNG OFDM QUA KÊNH TRUYỀN AWGN
GVHD: Th.S Đặng Lê Khoa
SVTH : Nông Việt Bình
Hà Quốc Dũng
Lê Hoài Nam
Trần Hoàng Tuấn
Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011
MỤC LỤC
I.Giới thiệu về OFDM …………………………………………………… 02
1. Lịch sử phát triển ………………………………………………………… 02
2. Tổng quan về OFDM ……………………………………………………… 02
2.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM …………………… 03
2.2 Sự trực giao (Orthogonal) trong OFDM ………………………………… 03
II.Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM ………… 05
1. Khoảng bảo vệ …………………………………………………………… 05
2. Tiền tố lặp CP …………………………………………………………… 05
3. Kênh nhiễu cộng AWGN …………………………………………………… 06
III Mô phổng OFDM bằng matlab …………………………………………… 06
1. Sơ đồ mô phỏng …………………………………………………………… 06
2, Kết quả ………………………………………………………………………. 08
3. Giải Thích …………………………………………………………………… 08
IV.Tổng Kết …………………………………………………………… 08
1.Ưu điểm ………………………………………………………………………. 09
2. Nhược điểm ……………………………………………………………. 09
3. Ứng dụng ………………………………………………………………. 09
2

I.Giới thiệu về OFDM
1. Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng
được nghiên cứuvà mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong
tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như
xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều
chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ
tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có
thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống
OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế
thông thường.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm
hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực
hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert,
ngườI đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép
biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổI DFT. Phát minh này
cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được
ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi
nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giảI điều chế OFDM.
2. Tổng quan về OFDM:
OFDM (là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) có thể
được tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. Kỹ thuật này
được đưa ra vào khoảng giữa những năm 60 chứ không phải là mới mẻ. Tuy
nhiên, do độ phức tạp trong tính toán của nó nên mãi đến rất gần đây nó mới
được áp dụng trong các ứng dụng dân dụng. Trước đó, chủ yếu được sử dụng
trong các ựng dụng quốc phòng của bộ Quốc Phòng Mỹ.
Một trong những vấn đề rất phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao
qua một kênh có băng thông rất rộng là vấn đề chọn lọc tần số. Một kênh chọn

lọc tần số là một kênh trong đó các hành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi
3
được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau (cả về
biên độ và mức độ phi tuyến) cho nên tín hiệu phía thu bị méo rất nặng và dẫn
đến việc khôi phục tín hiệu trở nên cực kỳ khó khăn.
2.1 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao 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.
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.
2.2 Sự trực giao (Orthogonal) trong OFDM.
Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng
mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại
4
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 dự liệu trước giữa các sóng mang
khác nhau.
Trong OFDM, có thể sắp xếp các sóng mang 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.
Do đó, các sóng
mang độc lập tuyến
tính với nhau (trực
giao) nếu khoảng
cách giữa các sóng là
bội số của 1/τ. Bất kỳ
sự phi tuyến nào gây
ra bởi sự can nhiễu
của các sóng mang
ICI cũng làm mất đi
tính trực giao.
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng
mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT

nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà
bằng việc xử lý băng tần gốc.
Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn
như trong hệ thống ADSL, các
kỹ thuật này thường được nhắc
đến dưới cái tên: đa tần (DMT).

5
Sơ đồ tần số và thời gian của tin hiệu OFDM
II.Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM
1. Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc
truyền tín hiệu OFDM có thể bị
sai do điều kiện của quá trình xử
lý tín hiệu, bởi vì máy thu không
thu nhận được thông tin của
symbol được truyền tiếp theo.
Điều này có nghĩa là máy thu cần
một khoảng thời gian có độ dài
xác định bằng thời gian symbol
có ích để có thể xác định được
symbol OFDM. .
Để có thể giảm bớt sự phức
tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ
thống OFDM sử dụng khoảng
bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo
vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI
cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số.
2. Tiền tố lặp CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử
lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế
đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu
xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh
(ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu
cầu về tính trực giao của các sóng mang
phụ . Để thực hiện kỹ thuật này, trong
quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được
lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía
trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng
như là một khoảng thời gian bảo vệ
giữa các ký tự phát kề nhau.
6
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng
khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống
OFDM.Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic
postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy
IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu.Thêm vào hậu tố cũng có thể
chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó
làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó
phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng
chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.
3. Kênh nhiễu cộng AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu
là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô
(inter-cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI,
nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation
Distortion).
Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ
thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả

phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
III Mô phổng OFDM bằng matlab
1. Sơ đồ mô phỏng.
Sơ đồ hệ thống sử dụng OFDM qua kênh AWGN
7
Bộ OFDM Modulation
Bộ OFDM Demodulation
8
2, Kết quả:
Phổ tín hiệu OFDM
3. Giải thích
- Ở đầu phát: Hệ thống OFDM sẻ phân chia dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao
thành N luồng dữ liệu song song tốc độ thấp(được mang trên các sóng mang con
trực giao về tần số) thông qua bộ biến đổi S/P. Tiếp đó tín hiệu được tổng hợp lại
và đưa tới bộ biến đổi IFFT để chuyển đổi tín hiệu thành các mẩu rời rạc thời
gian sau đó được chèn thêm khoảng bảo vệ và được truyền đi.
- Ở đầu thu: Khoảng bảo vệ được loại bỏ. Tín hiệu được biến đổi ngược lại từ
miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ biến đổi FFT sau đó được loại bỏ
pilot và được sắp xếp lại cuối cùng nhận được chuồi dữ liệu ban đầu được truyền
đi.
IV.Tổng Kết.
Tóm lại, ta có thể rút ra được các Ưu điểm , nhược điểm và các ứng dụng hiện nay
cua kỉ thuật OFDM.
9
1.Ưu điểm
Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đa đường.
Hạn chế được nhiễu giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa
các ký hiệu (ISI) .
Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và

IFFT.
2.Nhược điểm
Nhạy với offset tần số. Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính
trực giao của các sóng mang phụ
Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để
giảm ảnh hưởng của ICI và ISI.
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average
Power Ratio) lớn
3.Ứng dụng
- Phát quảng ba số: Phát thanh sô (DAB), Truyềnhìnhsô (DVB) …
- Thông tin Hữu tuyến: ADSL, HDSL
- Thông tin Vô tuyến: WLAN: 802.11a/g/n (Wifi), WMAN: 802.16
(Wimax), di động 4G (LTE).
10