kỹ thuật xử lý tín hiệu trong Wimax 2

ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
 Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu
nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế
OFDM. Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi
được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền
thông khác.
2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
2.1.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
1
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho
phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz,
hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng
thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ
rộng kênh.

a) Tín hiệu OFDM
b) Phổ OFDM
Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
2
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
2.1.2 Lịch sử phát triển:
Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được
xuất hiện cách nay hơn 40 năm:
• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.
• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh
rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện
thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến
đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử
dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.
• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của
OFDM ở băng tần 5GHz UNI.
• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần
2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng
của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp.
Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều
chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là
khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức
điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được
sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu
Âu.
2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số
ưu điểm sau đây :
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-
Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.
• Cấu trúc máy thu đơn giản.
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
3
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :
• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường
nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông
của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.
• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá
nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời
( time offset) do sai số đồng bộ.
• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi
tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.
2.2 Nguyên lý điều chế OFDM
2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là s
i
(t) và s
j
(t).
Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn
điều kiện sau :

Trong đó :

Δ
f
=
T
1
là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N
là số các sóng mang con, N.
Δ
f
là băng thông truyền dẫn và t
s
là

dịch thời gian.
Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là
sin(mx)

với m = 1,2…. thì

nó

trực giao

trong khoảng từ -
π

đến

π
.
Trong toán

học, số hạng trực giao

có

được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo

định nghĩa, hai vectơ

được gọi là trực giao với nhau

khi

chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 90
0
) và

tích

của 2 vectơ

là

bằng

0.
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
4
( ) ( )
∫
+
=⋅
Tt
t
ji
s
s
dttsts
T
*
1
k, i=j
0, i≠j

(2.1)
(2.2)


0 , k khác
e
(j2пk∆ft)
, k=1,2,….,N
Hình 1.10 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0
Hình 2.3 Tích của hai vectơ vuông góc
bằng 0

ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
2.2.2 Sơ đồ điều chế

Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là
n, n
∈

{ }
LLLL ,1,...,1,0,1,...,1, −−+−−
, nên N
FFT
=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào
{ }
l
a
chia
thành N
FFT
dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N
FFT
lần thông qua bộ chia nối
tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song
{ }
l
a
lại được điều chế thành mẫu
của tín hiệu phức đa mức
nk

d
,
, n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian
tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với
Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát
nk
d
,
được nhân với xung cơ sở để giới
hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng
việc nhân với hàm phức e
jL
s
ω
t
,
làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau.
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
5
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở
X
X
X
e
jL

s
ω
t
e
jn
s
ω
t
e-
jL
s
ω
t
{ }
l
a
Li
a
+,
ni
a
,
Li
a
−,
Lk
d
+,
nk
d

,
Lk
d
−,
m
,
(t)
m(t)
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng
được biểu diễn như sau
m
’
k
(t)=
∑
+
−=
−
L
Lm
tj
nk
s
ekTtSd
ω
)(
'
,

(2.3)
Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu
OFDM sẽ là
m(t)=
)(
'
tm
k
k
∑
∞
−∞=
=
∑
∞
−∞=k
∑
+
−=
−
L
Lm
tj
nk
s
ekTtSd
ω
)(
'
,

(2.4)
Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống
nhiễu xuyên kí hiệu ISI.
Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và
phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. 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. Điều chế OFDM bằng phương
pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con
với độ phức tạp thấp.
2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT
Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín
hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu
t
a
=
B
1
=
FFT
N
1
=
FFT
S
N
T
(2.5)
Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lt
a,
, S

’
(t-kT) =S
0
, do vậy (2.3) viết lại :
m
’
k
(kT
s
+lt
a
) = S
0
∑
+
−=
+
L
Ln
ltkTjn
nk
aSs
ed
)(
,
ω


=
S

0
∑
+
−=
L
Ln
ltjnkTjn
nk
aSSs
eed
ωω
.
.,

(2.6)
Do ω
S
kT
S
= 2
ππ
k
f
kf
S
S
2
1
=
,

kết quả
1=
SS
kTjn
e
ω
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
6
ĐATN Chương 2: Kỹ thuật điều chế
OFDM
Tương tự như vậy, với
FFTFFTS
S
aS
N
nl
j
Nf
fjn
ltjn
eee
π
π
ω
2
1
2
==
, (2.6) được viết lại:
m

’
k
(kT
s
+lt
a
)=S
0
∑
+
−=
L
Ln
N
nl
j
nk
FFT
ed
π
2
,

(2.7)
Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM
có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT.
2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM
Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử
dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI
(Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một mẫu

tín hiệu có độ dài là T
S
, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài T
G
ở
phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:
Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI
Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng
chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường.
Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có
chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T
G
thì tín hiệu này có
chiều dài là T = T
S
+T
G
. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu
theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo
đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời
gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các
tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là
hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài T
G
sẽ dễ dàng loại
bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp T
G
≥τ
MAX
như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng

lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an
toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều
SVTH : Trần Văn Xang -Lớp 03DT3
Phần tín hiệu có íchPhần tín hiệu có ích
GI
7