Nghiên cứu về OFDM và vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM và mô phỏng hệ thống OFDM

lại để tạo ra một sự định thời ổn định. Những sơ đồ đó không thể cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp. Để nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hóa vi phân. Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM. Tại phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết. Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan. Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc vào trễ đa đường (được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu). Đỉnh tương quan lớn Nhận biết khung Ước lượng khoảng dịch tần số FFT Bám đuổi pha Ước lượng kênh Giải mã Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 42 nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường. Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này dùng để định vị ranh giới symbol OFDM. Do nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ đỉnh tương quan của chuỗi PN. Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng hình sine. Khi không có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa là chuỗi PN có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận. Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết. Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả tính toán tạm thời là các giá trị metric định thời kết quả |M(g)|. Sự nhận biết khung thành công khi phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và tỉ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. Để xác định mức ngưỡng này, sự mô phỏng được thực hiện qua kênh AWGN, đối với chuỗi có chiều dài là 63, bộ đệm metric cũng chọn theo kích thước là 63. Hình 3.2 cho thấy xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai lệch tại các mức ngưỡng khác nhau. Hình 3.2[4]: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau Đường cong nhận biết sai tạo ra từ sự tích lũy nhiễu trong module nhận biết khung và sau đó đo đỉnh tương quan (PAPR) của bộ metric định thời. Các đường cong nhận biết trượt tạo ra từ phép đo PAPR của bộ đệm metric định thời khi chuỗi PN được phát đi. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 43 Ngưỡng tối ưu của SNR là điểm phát giao giữa đường cong nhận biết sai và đường cong nhận biết trượt của SNR mong muốn. Một chuỗi PN dài hơn có thể được sử dụng để tăng khoảng trống giữa các đường nhận biết sai và các đường nhận biết trượt và để giảm xác suất lỗi tại ngưỡng tối ưu. 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số. Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu. Khoảng dịch tần số là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sóng mang. Để BER giảm không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang. Điều này sẽ không khả thi khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động tinh thể thạch anh chất lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng dịch tần số nào. Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai symbol dẫn đường OFDM, với symbol thứ hai bằng symbol thứ nhất dịch sang trái Tg (Tg là độ dài tiền tố lặp CP). Các tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài symbol FFT) thì giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha )(2 Tfj Ce Δπ do khoảng dịch tần số. Khoảng dịch tần số được phân thành phần thập phân và phần nguyên: ρ+=Δ ATf c (3.1) Ở đây phần nguyên A và phần thập phân ρ є (-1/2, 1/2). Phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu cách nhau một khoảng thời gian T. Phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận của hai symbol dẫn đường. 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân. Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được tín hiệu như sau: )()()( )(2 lz.elsly N lTΔfπj C += (3.2) Trong đó, l : số mẫu (miền thời gian) y(l) : mẫu tín hiệu thu Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 44 N : tổng số sóng mang phụ z(l) : mẫu nhiễu Và tín hiệu s(l) được biểu diễn như sau: N l πkjN l ekCkU N ls 21 0 )()(1)( ∑− = = (3.3) Trong đó, k : chỉ số sóng mang phụ U(k) : dữ liệu điều chế trên sóng mang phụ C(k) : đáp ứng tần số sóng mang phụ Tính tương quan giữa các mẫu cách nhau khoảng T (tức N mẫu) ta có: ∑− = ∗ += 1 0 )()( N l Nl.ylyJ (3.4) Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau: [ ]∗∧ = Jarg 2 1 πρ (3.5) Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu như (3.4). J có thể được triển khai sắp xếp lại thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian. Định nghĩa phần lỗi ước lượng phần thập phân: =ρε ρρ −∧ (3.6) Độ lệch chuNn được tính như sau: SNRN E πε ρ 2 1][ 2 = (3.7) Hình 3.3 so sánh độ lệch chuNn của lỗi ước lượng FOE giữa mô phỏng và tính toán tại các giá trị SN R khác nhau. Sự mô phỏng trong kênh AWGN tại tần số sóng mang fc= 2.24 GHz, với tần số sóng mang phụ N= 64, chu kỳ lấy mẫu Ts=50ns, và độ sai lệch dao động nội thạch anh là 100 ppm. Khoảng dịch tần số là Δfc.T = 0,7808 với phần nguyên là A = 1, và phần thập phân là ρ = -0,2192. Sự khác nhau giữa hai đường cong tại SN R thấp là do bỏ qua xuyên nhiễu ở trong (3.4). Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 45 Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR khác nhau Từ (3.6) ta có thể tính xấp xỉ để giảm SN R do khoảng dịch tần số trong hệ OFDM, kết hợp kết quả đó với (3.7) và giả thuyết ước lượng phần nguyên luôn đúng. Sự giảm SN R sau khi ước lượng và bù khoảng tần số được tính như sau: 10 1 10ln12 10)( xdBD = (3.8) Điều này là không đáng kể trong hệ thống có N lớn. 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên Đối với ước lượng phần nguyên, 2N mẫu tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài là phần thập phân đầu tiên được bù: )()(' 2 lyely N lj ∧−= ρπ )2,0[ Nl ∈ Giả sử sự ước lượng phần ước lượng thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT: [ ]11 )1('...,),0(' zsNyyy +=−= [ ]22 )12('...,),(' zsNyNyy +=−= Vector ρ có các thành phần: Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 46 N lAj els π2 ).( , ),0[ Nl ∈ Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu, một ký hiệu FFT mới có thể được tạo ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SN R lên gần 3dB, tức là: 2121 2 zzsyyy ++=+= Sử dụng y/2 và nhiễu cùng tỷ lệ theo đó.FFT cho y/2: ∑− = − ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ += 1 0 22 )().(1)( N l N lnj N lAj elzels N nY ππ = { U(k) C(k)} ),mod( NAnk −= + Z(n) Một chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận để ước lượng xoay quanh phần nguyên A. Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa kết quả với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất xác định A. 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE Xét một hệ thống OFDM với một chu kỳ kí hiệu: TD= Tg+T hoặc ND=Ng+N biểu diễn số mẫu tín hiệu. Thừa số pha của khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu OFDM được biểu diễn: ))((2))(2( N l N N mAj N l N N mTfj DDC ee +++Δ = ρππ (3.9) Trong đó, m : chỉ số symbol, l : chỉ số mẫu Cho FOE đúng, khi đó thừa số pha sau khi bù khoảng dịch tần số là: N lj N Nmj N l N Nmj eee DD ρρρ πεπεπε 22)(2 . −−+− = (3.10) Giá trị số hạng N Nmj D e ρ πε2− trong (3.10) gây ra lỗi pha tín hiệu, còn số hạng N lj e ρ πε2− gây ra nhiễu ICI. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 47 Vì thừa số là không đổi trên toàn bộ symbol nên nó có thể được bù trong miền tần số sau bộ FFT. Tín hiệu FFT được biểu diễn: ),(),(),(),( 2 kmZkmCkmUekmY N Nmj D += − ρπε (3.11) k : chỉ số sóng mang phụ đã bỏ qua ICI Lỗi pha ( N Nm Dρπε2− ) tăng tuyến tính trên các symbol. Có thể bám đuổi lỗi pha bằng cách dùng vòng khóa pha số DPLL. Hàm truyền đạt của DPLL là: 22 2 )1(2)1( )1(2 )( nn nn zz zzH ωηω ωηω +−+− +−= (3.12) Trong đó, η : hệ số tắt dần nω : tần số của DPLL DPLL bậc hai thường sử dụng thay cho DPLL bậc một vì do yêu cầu lỗi trạng thái là ổn định đối với đầu vào tuyến tính, tức là ( N Nm Dρπε2− ). Miền ổn định cho DPLL là: ⎪⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ +< << > 1 4 20 1 2 n n n ωηω ω η hoặc ⎩⎨ ⎧ << ≤ ηω η 20 1 n (3.13) Điều này phải thỏa mãn khi chọn các tham số DPLL. Để thực hiện tách sóng pha, phải ước lượng hệ số lỗi pha. Vì hệ số lỗi pha là chung cho các sóng mang phụ nên được ước lượng sử dụng J. ∑− = ∗∗= 1 0 ),(),(),( N k kmYkmCkmUJ (3.14) Để tính J phải biết cả dữ liệu U(m,k) và các đáp ứng kênh C(m,k). Tách sóng pha được thực hiện: )(][arg)( mJme ∧Φ−= (3.15) Trong đó, Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 48 e(m) : giá trị ra của bộ tách sóng ( )m∧Φ : giá trị ra của DPLL arg[J] : ước lượng nhiễu và có độ lệch chuNn là SNRN2 1 Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL Hình (3.4) cho thấy kết quả mô phỏng của hệ thống sử dụng DPLL với SN R là 3dB và lỗi FOE là ρε = - 0.017. Đường ô vuông biểu thị lỗi pha không được bám đuổi. Pha được giới hạn trong đoạn [- π, π]. Đường tròn biểu thị lỗi pha sau DPLL, gần như không đáng kể. DPLL có nω = 6,25x10-2 và 25,1=η . 3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM Việc đồng bộ ký tự phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP) thì việc thực hiện đồng bộ trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. • Có hai loại lỗi thời gian đó là lỗi định thời trong lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi nhịp (Clock drift) và lỗi định thời do symbol tự sinh ra do sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu ký tự thu. Sự mất đồng bộ do lấy mẫu có thể Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 49 khắc phục nhờ sử dụng đồng hồ lấy mẫu có độ chính xác cao. Do đó, vấn đề lúc này là lỗi định thời symbol. N ếu lỗi định thời symbol đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong khoảng của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì nó sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trong trường hợp lỗi này lớn hơn khoảng thời gian của CP sẽ xảy ra nhiễu ISI. Khi đó sự đồng bộ được yêu cầu chặt chẽ hơn. • N hiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu. Có hai phương pháp chính để đồng bộ symbol. Đó là phương pháp đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot và phương pháp dựa vào CP. N goài ra, còn có một phương pháp đó là đồng bộ khung symbol trên mã đồng bộ khung. 3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot Phương pháp đã được sử dụng cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, nghĩa là các hệ thống OFDM được truyền dưới dạng điều tần. Máy phát sẽ sử dụng mã hóa một số các kênh phụ với tần số và biên độ biết trước. Sau này thì phương pháp này được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ. Thuật toán đồng bộ gồm 3 bước: N hận biết công suất (Power Detection), đồng bộ "thô" (Coarse Synchronization) và đồng bộ "tinh" (Fine Synchronization). N hiệm vụ của việc nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng. Trong bước đồng bộ "thô", tín hiệu sẽ được đồng bộ lúc đầu với độ chính xác thấp bằng một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này không cao nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện được sự đồng bộ "thô", người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan. Tần số ước lượng của các điểm phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 50 Trong bước đồng bộ "tinh", do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng của lỗi đồng bộ và đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong khoảng của CP (vì khoảng thời gian của CP phải lớn hơn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy, lỗi pha ở các sóng mang của các kênh phụ chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Khi đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng. Các symbol pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý. Thông thường symbol pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM (Hình 3.5). a) k ênh fading phẳng tần số. b)Kênh fading chon lọc tần số Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM 3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP Xét hai tín hiệu thu cách nhau N bước: d(m) = r (m) – r (m + N), Với N là sóng mang phụ. N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp. N ếu r(m) và r(m-N) tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất của d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM. N ếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng thời gian bằng khoảng thời gian của CP (điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của symbol OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của symbol OFDM sẽ có một cực tiểu về công Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 51 suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của symbol OFDM, và đồng bộ thời gian được thực hiện. 3.3.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC) Đồng bộ khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu của khung ký tự để tìm thấy vị trí chính xác của cửa sổ FFT. Các thuật toán đồng bộ khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của symbol. N hưng các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của ký tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường. Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung symbol và vùng dữ liệu cho truyền dẫn symbol OFDM (Hình 3.6). Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau: )()()( FSCdataFSCframe TtStStS −+= (3.16) Trong đó, TFSC : Khoảng thời gian symbol FSC Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi CA(n) của FSC và các mẫu dữ liệu không có GI đã qua FFT là: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ −== == ∑− = 1 0 2 :1...,,1,0)(1)( :...,,2,1)()( N k N nkj mm L A tadaNkekX N ns FSCCnnCns π (3.17) Trong đó, CL : Độ dài bit của FSC sm(n) : Chuỗi các mẫu của symbol OFDM thứ m trong miền thời gian khi không thêm GI. xm(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m trong miền tần số. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 52 N : Số sóng mang phụ Các mẫu CA(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là số bắt đầu khung Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu, )()( nCns A= , với n = 1,2,… CL được tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2), ..., C( LC )} gồm các CL giá trị nhị phân. Đối với mã C(n) có giá trị "1" , chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để tạo ra tín hiệu 3 mức )(nC A . Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} thì )(nC A = {1, 0, 0, -1, 1, -1, 0, 1}. Bằng cách này, ta có thể duy trì số giá trị '1' và '-1' bằng nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động. Cấu trúc đồng bộ khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ nhận biết bit '0'/ '1' , thanh ghi dịch CL, bộ cộng Modulo -2 được giảm bớt, bộ tổng, bộ nhận biết đỉnh. Thuật toán đồng bộ khung symbol nhờ FSC gồm có 3 bước: N hận biết FSC, xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung symbol. Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC 3.3.3.1 Nhận biết FSC Đầu tiên, bộ đồng bộ khung symbol sẽ nhận biết công suất bằng cách dùng mỗi mẫu thu. Giả sử nếu chuỗi mẫu tín hiệu tối ưu thứ i sau kênh đa đường và AWGN là )( ~ is , chúng ta có thể biểu diễn một tín hiệu với khoảng dịch tần số và pha thành các kênh I và Q riêng rẽ như sau: Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 53 Θ+= jQI eisisiy )).()(()( ~~ )sin)(cos)(()sin)(cos)(( ΘisΘisjΘisΘis ~ I ~ Q ~ Q ~ I ++−= (3.18) Trong đó, )( ~ is I : Kênh I của s(i) )( ~ is Q : Kênh Q của s(i) Θ : Biểu diễn tổng pha 02 θεπ +Ni , gồm khoảng dịch tần số ( fTΔ=ε ) và khoảng dịch pha 0θ . N ếu chúng ta thực hiện nhận biết công suất cho chuỗi mẫu ở trên để đồng bộ khung symbol như trong Hình 3.7, chúng ta có thể thu được công suất mà không phụ thuộc vào khoảng dịch tần số và pha như sau; )()()()( 2~2~ 22 isisiyiy QIQI +=+ (3.19) 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1 Theo phép phân tích, chúng ta sẽ thu được một mức ngưỡng tối ưu Th1 trong môi trường AWGN để xác định '0' và '1' từ công thức (3.19). Để thu được một mức ngưỡng tối ưu trong môi trường đa đường là rất khó khi nó phụ thuộc vào kiểu FSC. Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 54 Các ngưỡng Th1 có thể được viết: 2 /1 0 4 1 )(2 2 ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧= − ησησ PeI P Th (3.20) (.)10 −I : Hàm ngược của Bessel bậc 0: (.)0I , 2 ησ : Phương sai của các biến ngẫu nhiên Gaussian trong các kênh I và Q P : Giá trị biên độ được định nghĩa trong tín hiệu Hình 3.8 so sánh giữa mô phỏng và phân tích từ công thức (3.20) giá trị của ngưỡng tối ưu với các SN R khác nhau. Các giá trị '0' và '1' được xác định rồi đưa đến đầu vào thanh ghi dịch của bộ nhận biết FSC phù hợp với tốc độ lấy mẫu Ts và bộ phép toán cộng modulo-2 thực thi CL thời điểm với kiểu FSC đã biết. Ở đây, đầu ra bộ cộng modulo-2 sửa đổi là '1' nếu các bit giống nhau tại vị trí hiện tại, nếu không sẽ có giá trị '-1'. Các giá trị tương quan này sẽ được cộng tất cả các khối tổng và kết quả được so sánh với ngưỡng Th2 của bộ nhận biết đỉnh để dò tìm FSC. 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 N ếu giá trị đỉnh chính xác của đầu ra bộ nhận biết đỉnh là nhỏ hơn ngưỡng Th2 mà đã thiết lập cho bộ nhận biết đỉnh, FSC không được phát hiện. Đây gọi là sự nhận biết trượt PM. N ếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu ra của các vùng dữ liệu khác có thể ở trên Th2 và được xem như là FSC, gọi là xác suất dự phòng sai PF . Đối với đồng bộ khung symbol, xác suất nhận biết trượt PM khả năng phát hiện lỗi chính xác PC . PC là xác suất để nhận biết FSC khi số lượng lỗi trong FSC trở nên giống nhau hoặc ít tổng số lỗi cực đại ε (với 2/)( 2ThCL −=ε ) của quá trình nhận biết đỉnh. Vì vậy, khả năng nhận biết FSC đúng PC có thể được tìm bằng cách cộng xác suất của các lỗi bit FSC dưới ngưỡng lỗiε . Xác suất nhận biết trượt có thể được tìm bằng cách trừ tất cả các xác suất nhận biết đúng ra khỏi toàn bộ công suất. Khi ngưỡng lỗi ε và chiều dài CL của FSC tăng, xác suất nhận biết trượt giảm. Giả sử nếu chiều dài FSC là LC bit, mọi khả năng kết hợp dữ liệu ngẫu nhiên là LC2 . N ếu ε = 0, khả năng phát hiện lỗi là 1/ LC2 . Đây là khả năng phát hiện ngẫu Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 55 nhiên chính xác với kiểu FSC. PF có thể được giảm bằng cách tăng số bit FSC, CL hoặc giảm ngưỡng nhận biết ε. N hư vậy, PM và PF có thể trao đổi với nhau khi cho CL cố định và biến đổi giá trị ε hoặc Th2. Trong trường hợp tổng quát PM là rất nhỏ còn PF là rất lớn. Điều này có thể khắc phục bằng kỹ thuật cửa sổ. Trong kỹ thuật này, quá trình nhận biết FSC chỉ trong một khoảng đặc biệt, sự tính toán trước cao được xem như là một đỉnh. Việc thực hiện tương đối đơn giản và cho hiệu quả tốt. N hư vậy, thuật toán đồng bộ khung symbol có thể chọn chiều dài và kiểu FSC. Điều này phụ thuộc vào môi trường kênh và hiệu suất hệ thống. Khi môi trường kênh xấu, ta có thể mở rộng chiều dài và giảm WFP và MP . 3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM Trong kỹ thuật đồng bộ tấn số cần quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. Lỗi tần số ở đây là sự lệch tần số nguyên nhân do sự sai khác giữa hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hình sine) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh phụ do mất tính trực giao của các sóng mang phụ . Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang. 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Sự chênh lệch nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI. Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ nhất là sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp VCO; giải pháp thứ hai là thực hiện xử lý số để động bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 56 3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang Đồng bộ tần số là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang. N ếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, hiệu suất của hệ thống cũng như ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang giảm đi đáng kể. Để thực hiện đồng bộ tần số sóng mang phải ước lượng khoảng dịch tần sóng mang CFO. Cũng như đồng bộ thời gian (symbol), có thể chia các giải pháp ước lượng tần số thành các loại : dựa vào tín hiệu dữ liệu, dựa vào tín hiệu pilot, dựa vào CP,.. 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot Trong thuật toán này, một số sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu pilot. Tín hiệu thường được chọn là các tín hiệu PN . Bằng cách sử dụng một thuật toán thích hợp, bên thu sẽ xác định được giá trị xoay pha của tín hiệu gây ra bởi sai lệch tần số. N ếu độ sai lệch tần số nhỏ hơn một nửa khoảng cách tần số giữa hai sóng mang phụ kề nhau, ánh xạ giữa giá trị xoay pha và độ lệch tần số là ánh xạ 1-1 nên có thể xác định duy nhất độ chênh lệch tần số. 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP Xét sóng mang phụ được điều chế bằng một dòng dữ liệu: 1...,,1)(1)( 1 0 2 −+−== ∑− = NLnekS N nu N k N nkj π Tín hiệu ở phía phát: ∑ −= n snTggnutx )()()( Tín hiệu ở phía thu: )()()()( tnnTghnuty n s +−= ∑ , với h(t) là đáp ứng kênh; n(t) là đáp ứng nhiễu. Tín hiệu CP với chiều dài L (Hình 3.9), tín hiệu ở phía thu sẽ là: )()()( /2 iniueiy Nijm += πε Đối với { }0...,,1+−= LI , Ii∈ hàm { } ⎪⎩ ⎪⎨⎧ = =+=+ −∗ Nle l liyiyE j s ns mm πεσ σσ 22 22 0 )()( Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 57 Hình 3.9: CP trong một symbol OFDM Hàm ước lượng: y∠−= ∧ πε 2 1 , với ∑ +−= ∗ += 0 1 )()( Li mm Niyiyy Giá trị ước lượng chỉ thỏa mãn khi 5,0≤ε , khi 5,0>ε phải thực hiện lại một giả định ban đầu. 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu Tín hiệu ở phía thu được biểu diễn: ∑ −== + 12,1,0;)(1)( /)(2 NneHkSNny Nknjkm επ Ta có thể tách hai phần sau khi qua FFT: ∑− = −= 1 0 2 1 )( 1)( N n N nkj m eny N kY π ∑− = −= 12 2 2 )( 1)( N Nn N nkj m eny N kY π N nkj N n m eNny N π21 0 )(1 −− = ∑ += = ∑− = −1 0 22 )( N n N nkj m j eny N e ππε Hàm ước lượng: 0=n 1−= Nn1+−= Ln Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 58 ⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ = ∑ ∑ − = ∗ − = ∗ −∧ 1 0 12 1 0 12 1 )]()(Re[ )]()(Im[ tan 2 1 N k N k kYkY kYkY πε Hình 3.10: Tín hiệu OFDM Giá trị chỉ thỏa mãn ước lượng khi 5,0≤ε , khi 5,0>ε phải được thực hiện tại một giả định ban đầu. 3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM N gười ta thường đánh giá ảnh hưởng của sự sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của SN R Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ Loại/ lượng lỗi đồng bộ Độ suy giảm SNR (dB) Lỗi tần số sóng mang ε1 , kênh AWGN D ≈ O S N E2)( 10ln3 10 πε Lỗi tần số sóng mang ε1 , kênh fading D ≤ 10 log ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ε πε 2sin )sin(5947.01 e N E O S N hiễu pha sóng mang, độ rộng β 2 D ≈ O S N E )4( 10ln6 11 πβ Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu 3sfΔ , tại sóng mang phụ thứ n ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ Δ+ )( 3 1 O S N E D ≈10 log Lỗi thời gian Không đáng kể CP 1−=Nn 1−=Nn TNss ]]1[,],0[[ −= …S S 12 −= Nn Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 59 Dựa vào bảng có thể đưa ra một số nhận xét: - Sự đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (kể cả kênh fading lẫn kênh AWGN ). Suy hao SN R [dB] tỷ lệ bình phương với độ sai lệch tần số sóng mang. - Độ rộng nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang. Vì vậy, suy hao SN R [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóng mang. - Suy hao SN R [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối. - Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng thời gian của CP. 3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian OFDM chịu được lỗi thời gian vì có khoảng bảo vệ giữa các symbol. Đối với kênh không có multipath, độ lệch thời gian có thể bằng khoảng bảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ. Sự quay pha được sửa như một cân bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm hiệu suất, vì một phần symbol áp dụng phép biến đổi FFT chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu giữa các symbol. Hình 3.11 mô tả SN R hiệu dụng của OFDM như là hàm offset thời gian. Điểm không về thời gian được tính so với phần FFT của symbol. Offset thời gian dương dẫn đến một phần của symbol tiếp theo nằm trong FFT. Do khoảng bảo vệ là sự mở rộng tuần hoàn của symbol nên sẽ không có ISI. Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm bởi độ trễ của kênh dẫn đến giảm tương ứng offset thời gian cho phép. Gốc thời gian từ điểm phần đầu FFT của symbol , ngay sau khoảng bảo vệ. Lỗi thời gian dương cho biết FFT trong máy thu nhận một phần của symbol tiếp theo, lỗi thời gian âm cho biết máy thu nhận được khoảng bảo vệ. Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 60 Hình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số OFDM nhạy với offset thời gian nên dễ ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật. Việc điều chế tín hiệu OFDM có offset thời gian có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao. Điều này do mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) và chậm sửa quay pha các vectơ thu được.. Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDMwww.4tech.com.vn 61 Các lỗi tần số thường do 2 nguyên nhân chính. Đó là các lỗi của bộ dao động nội và tần số Doppler. Sự sai khác bất kỳ về tần số của bộ dao động nội máy phát và máy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuy nhiên các lỗi tại chỗ làm cho hiệu suất hệ thống giảm. Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ Doppler trong tín hiệu. Điều này xuất hiện như offset tần số. Việc điều chế FM trên các kenh phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ đa đường xảy ra trong các môi trường điển hình. Việc bù khoảng Doppler rất khó dẫn đến giảm tín hiệu. Hình 3.12 mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SN R hiệu dụng của OFDM khi dùng điều chế QAM kết hợp. Một độ lệch bất kỳ dẫn đến sự quay pha các vector tải phụ thu được. Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn. N ếu kênh chỉ thực hiện ở đầu mỗi frame thì các lỗi tần số sẽ không được giải quyết, do đó hiệu suất của hệ thống sẽ giảm dần. Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SN R hiệu dụng cực đại, SN R sẽ giảm bị ở cuối frame. Trên hình vẽ SN R hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh ở đầu frame. Độ lệch tần số phải được duy trì trong giới hạn 2÷4% để phòng ngừa tổn hao. Trong môi trường di động nhiều người sử dụng thì vấn đề này càng phức tạp hơn vì tín hiệu truyền từ mỗi người sử dụng có tần số offset khác nhau. N ếu người sử dụng được đồng bộ tốt với một BS thì vẫn có độ lệch tần do độ lệch tần Doppler. Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu. Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều người sử dụng thì vấn đề sửa lỗi tần là không đơn giản. 3.6 Kết luận chương Sự đồng bộ hóa trong một hệ thống là cần thiết để có được hiệu suất làm việc tốt nhất cho hệ thống. Trong chương này đã trình bày một số phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM. Tất cả các sóng mang phụ trong tín hiệu OFDM khi đã được đồng bộ về thời gian và tần số với nhau, sẽ cho phép kiểm soát can nhiễu giữa các sóng mang. Việc xét đến các ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM sẽ giúp chúng ta nhận biết được vai trò của các loại đồng bộ và từ đó sẽ thực hiện sự đồng bộ có hiệu quả tối ưu nhất. Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 62 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Giới thiệu chương Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước. Trong chương cuối cùng này, chúng ta giới thiệu chương trình mô phỏng hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: orthogonal frequency division multiplex). Đây là chương trình được viết bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab. 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 63 Đầu tiên, bộ phát nhị phân Bernoulli sẽ tạo chuỗi tín hiệu. Chuỗi dữ liệu đầu vào được mã hoá bởi bộ mã Reed-Solommon và được điều chế bởi bộ Mapping QPSK. IFFT là hữu ích cho OFDM vì nó phát ra các mẫu của dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao. Dữ liệu sau khi được biến đổi sẽ được chèn thêm CP và chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh và đồng bộ ở máy thu. Mô phỏng kênh truyền đưa ra các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến chung như nhiễu, đa đường và xén tín hiệu. Dùng hai khối trong Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN Tín hiệu thu sau khi loại bỏ CP và chuỗi huấn luyện sẽ được đưa vào IFFT để chuyển các mẫu miền thời gian trở lại miền tần số. Đưa vào bộ ước lượng kênh và bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu. Cuối cùng, tín hiệu được giải điều chế và giải mã RS Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 64 Hình 4.7 Chòm sao QPSK sau CE Hình 4.6 Chòm sao QPSK trước CE Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 65 Hình 4.2 và 4.3 cho thấy tác động của kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM. Vì kênh truyền là một kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận ở những tần số khác nhau chịu sự tác động khác nhau. Hình 4.4 và 4.5 cho thấy biên độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ hơn biên độ tín hiệu OFDM truyền đi. Hình 4.6 và 4.7 cho thấy tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh. Hình 4.6 chòm sao QPSK trước khi ước lượng kênh có biên độ và pha rất không ổn định. Hình 4.7 chòm sao QPSK sau khi ước lượng kênh những điểm chỉ dao động nhỏ quanh một vị trí cố định tức là biên độ và pha gần như ổn định. 4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình 4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền Bắt đầu ChuNn hóa tất cả các dữ liệu trước khi sử dụng kênh để so sánh Kết thúc Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền Thiết lập và tính toán hiệu ứng xén tín hiệu Thiết lập và tính toán hiệu ứng đa đường Thiết lập và tính toán nhiễu Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 66 Tham khảo mã nguồn Matlab tại file chương trình: ch.m, ch_clipping.m, ch_noise.m ch_multipath.m, 4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM Với lưu đồ thuật toán phát ký tự OFDM tham khảo mã nguồn tại file: tx.m, read.m, tx_chunk.m, tx_dechunk.m Bắt đầu Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1} Thực hiện IFFT Chuyển tín hiệu song song thành chuỗi nối tiếp Kết thúc Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM Đọc dữ liệu vào Bắt đầu Chia dữ liệu thành tập hợp song song Thực hiện FFT Chuyển đổi dữ liệu phân cực {- 1,1} thành nhị phân {0,1} Khôi phục dòng bit bởi đặt dữ liệu miền tần số thành chuỗi nối tiếp Kết thúc Hình 4.10 Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM Ghi dữ liệu Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 67 Với lưu đồ thuật toán thu ký tự OFDM tham khảo mã nguồn tại file: rx.m, write.m rx_chunk.m, rx_dechunk.m, 4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM Với lưu đồ thuật toán mô phỏng phát tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn tại file chương trình: QAM.m, read.m Hình 4.11 Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM Kết thúc Phát 16-QAM Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1} N hập số sóng mang Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành 4 mức {-3,-1,1,3} Số sóng mang = lũy thừa của 2 N hập lại.Số sóng mang phải là lũy thừa của 2 Đ S Bắt đầu Đọc dữ liệu vào Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 68 Với lưu đồ thuật toán mô phỏng thu tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn tại file chương trình: QAM.m, write.m Hình 4.12 Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM Bắt đầu Khởi tạo mức 0 cho tốc độ Tăng số lượng sóng mang cho dữ liệu gốc và thời hạn tần số cao Khôi phục dữ liệu thành dạng nối tiếp Sắp xếp chính xác giữa các mức {-3,-1,1,3} Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành nhị phân {0,1} Kết thúc Ghi dữ liệu ra Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 69 4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER 4.4 Kết quả chương trình mô phỏng 4.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM Hình 4.13 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER Bắt đầu Số lượng bit lỗi = 0 i = 1 Lỗi = | Dữ liệu vào(i) - Dữ liệu ra(i)| Số bit lỗi = số bit lỗi + 1 Kết thúc i=i+1 BER = 100*số bit lỗi/ Độ dài dữ liệu (%) Lỗi>0 i<= Độ dài dữ liệu vào Đ S Đ S Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 70 Hình 4.14: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số Hình 4.15: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số Chương 4 Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM www.4tech.com.vn 71 4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM Hình 4.17 cho chúng ta thấy phổ của tín hiệu OFDM rất giống với phổ tín hiệu của âm thanh ban đầu. Chứng tỏ phương thức điều chế OFDM tốt hơn so với QAM. 4.5 Kết luận chương Trong chương cuối cùng này đã mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab, với những scope để hiện thị tín hiệu giúp cho việc phân tính đánh giá tác động của kênh truyền đến tín hiệu, tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh. Tuy nhiên, simulink này chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản, tức là chỉ mô phỏng hệ thống OFDM băng gốc với phương thức điều chế QPSK. Trong chương cũng đã so sánh tín hiệu OFDM và tín hiệu QAM, file âm thanh của chúng để thấy rõ những ưu điểm của OFDM. Hình 4.16 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng phương thức QAM và OFDM Kết luận và hướng phát triển đề tài www.4tech.com.vn 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một công nghệ hiện đại cho truyền thông tương lai. Hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm trong việc tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại fading chọn lọc tần sốcũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Đồ án đã tìm hiểu, trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM cũng như một số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM và khả năng ứng dụng OFDM vào các công nghệ tương lai này. Đồng bộ là một vấn đề quan trọng không chỉ trong hệ thống OFDM mà còn cả trong các hệ thống khác cũng vậy. Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (ICI). Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số Chương trình mô phỏng tín hiệu OFDM ở đồ án này chỉ mới thực hiện được bước đầu là mô phỏng tổng quan và và mô phỏng so sánh tín hiệu. Có thể thiết kế hệ thống OFDM với Simulink trong Matlab và đi vào mô phỏng các thuật toán, các phương pháp cụ thể trong từng vấn đề. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM. Do đó chúng ta có thể bổ sung vấn đề mã hóa vào trong đồ án này. Việc tìm hiểu tổng quan về OFDM và giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM, chúng ta có thể hướng đến ứng dụng của OFDM trong tương lai như: ® Nghiên cứu, tìm hiểu một số hệ thống OFDM nâng cao như VOFDM (Vector OFDM), COFDM (Coded OFDM), WOFDM (Wideband OFDM),... ® Kết hợp OFDM với các công nghệ khác như FDMA, TDMA và CDMA để tạo thành các kỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động. ® Ứng dụng OFDM trong DVB-T, WLAN, OFDMA, ... ® Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX. Tài liệu tham khảo www.4tech.com.vn 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu, "Ứng dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM trong thông tin di động CDMA", Tạp chí Bưu chính Viễn thông & Công nghệ Thông tin, số 12 tháng 8 năm 2004, trang 33. [2]. Nguyễn Văn Đức,“Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2006. [3]. Ramjee Prasad “OFDM for Wireless Communications Systems” Artech House, 2004. [4]. Ye(Geoffrey) Li, Gordon Stuber “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications” ,Springer , 2006 . [5] Hui Liu, Guoqing Li “ OFDM- Based Broadband Wireless Networks” Wiley Interscience, 2005. [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller “ OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting ” All of Univesity of Southampton,UK, IEEE Press/ Wiley 2003. [7] Juha Heikala, John Terry, Ph.D. “OFDM Wireless LANS : A Theoritical and Practical Guide” ISBN :0672321572. [8]. Henrik Schulze and Christian Luders, “Theory and Application of OFDM and CDMA”, Fachhochschule Sudwestfalen Meschede, Germany-2005. [9]. L.HANZO,W.WEBB,and T.KELLER,"Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplititude Modulation". New York: IEEE Press/ Wiley, Apr.2000. [10]. Richard van Nee, Ramjee Prasad, " OFDM for wireless multimedia communications", Artech House, 2000. [11]. Ahmad R.S. Bahai, Burton R. Saltzberg, “Multicarier Digital Communications Theory and Applications of OFDM”, Kluwer Academic Publishers, 2002. Phụ lục www.4tech.com.vn 74 PHỤ LỤC ******************ChuNn hóa dữ liệu trước khi sử dụng******************* if channel_on == 1 disp('Simulating Channel') norm_factor = max(abs(recv)); recv = (1/norm_factor) * recv; ch_clipping ch_multipath ch_noise recv = norm_factor * recv; end **********************Mô phỏng hiệu ứng xén tín hiệu************** for i = 1:length(recv) if recv(i) > clip_level recv(i) = clip_level; end if recv(i) < -clip_level recv(i) = -clip_level; end end ************************Mô phỏng hiệu ứng đa đường******************* copy1=zeros(size(recv)); for i=1+d1:length(recv) copy1(i)=a1*recv(i-d1); end copy2=zeros(size(recv)); for i=1+d2:length(recv) copy2(i)=a2*recv(i-d2); end recv=recv+copy1+copy2; Phụ lục www.4tech.com.vn 75 *******************Tính toán nhiễu ( thực hiện ở phiá thu) *********** if already_made_noise == 0 % only generate once and use for both QAM and OFDM noise = (rand(1,length(recv))-0.5)*2*noise_level; already_made_noise = 1; end recv = recv + noise; % khôi phục biên độ dữ liệu ****************** Phát symbol OFDM *********************** disp('Transmitting') read % Đọc dữ liệu vào data_in_pol = bin2pol(data_in); % Chuyen doi du lieu nhi phan thanh du lieu phan cuc tx_chunk *******Thuc hien IFFT de tao dang song mien thoi gian bieu dien du lieu***** td_sets = zeros(num_chunks,fft_size); for i = 1:num_chunks td_sets(i,1:fft_size) = real(ifft(spaced_chunks(i,1:fft_size))); end tx_dechunk **************Đổi dữ liệu nhị phân (0,1) thanh du lieu cuc (-1,1)************ y = ones(1,length(x)); for i = 1:length(x) if x(i) == 0 y(i) = -1; end end **********************Đổi dữ liệu nhị phân thành hexa******************* y = 0; k = 0; for i = 1:8 y = y + x(8-k)*2^k; k = k+1; end Phụ lục www.4tech.com.vn 76 ******************* % Simulation of digital M-PSK modulation schemes over an AWGN channel % November 2004. Robert Morelos-Zaragoza. San Jose State University. % Needs the Communications toolbox. clear Fd = 1; Fs = 1; N = 100000 ; method='psk'; set(1) = 2; set(2) = 4; set(3) = 8; for j=1:1:3 M = set(j); i=1; for esno=0:1:18 sigma = sqrt(10^(-esno/10)/2); x = floor(M*rand(N,1)); y = modmap(x,Fd,Fs,method,M); ynoisy = y + sigma*randn(N*Fs,2); z = demodmap(ynoisy,Fd,Fs,method,M); s = symerr(x,z); ber(j,i) = (s/N)/log2(M); snr(i) = esno; i=i+1; end j end semilogy(snr,ber(1,:),'-b^',snr,ber(2,:),'-bo',snr,ber(3,:),'-bs'); grid on; ylabel('BER'); xlabel('E/N_0 (dB)'); legend('BPSK', 'QPSK', '8PSK',1); title('Simulated error performance of M-PSK. SJSU - Fall 2004.'); *************************** % Simulation of digital M-QAM modulation schemes over an AWGN channel % November 2004. Robert Morelos-Zaragoza. San Jose State University. % Needs the Communications toolbox. clear Fd = 1; Fs = 1; N= 100000 ; method='qask'; set(1) = 4; set(2) = 16; set(3) = 64; Phụ lục www.4tech.com.vn 77 for j=1:1:3 M = set(j); l=1:1:M; aux = sum(abs(modmap(l-1,Fd,Fs,method,M)).^2)/M; energy(j) = aux(1)+aux(2); i=1; for esno=0:2:26; sigma = sqrt(10^(-esno/10)/2)*sqrt(energy(j)); x = floor(M*rand(N,1)); y = modmap(x,Fd,Fs,method,M); ynoisy = y + sigma*randn(N*Fs,2); z = demodmap(ynoisy,Fd,Fs,method,M); s = symerr(x,z); ber(j,i) = (s/N)/log2(M); snr(i) = esno; i=i+1; end j end semilogy(snr,ber(1,:),'-b^',snr,ber(2,:),'-bo',snr,ber(3,:),'-bs'); grid on; ylabel('BER'); xlabel('E/N_0 (dB)'); legend('QPSK', '16-QAM', '64-QAM',1); title('Cac kieu dieu che M-QAM khac nhau trong kenh truyen AWGN'); ************************ function y = eight2bin(x) % eight2bin % % Converts eight bit data (0-255 decimal) to a binary form for processing. y = zeros(1,8); k = 0; while x > 0 y(8-k) = rem(x,2); k = k+1; x = floor(x/2); end Phụ lục www.4tech.com.vn 78 ********************** % Run OFDM simulation tic % Start stopwatch to calculate how long QAM simulation takes disp(' '),disp('------------------------------------------------------------') disp('OFDM Simulation') tx ch rx % Stop stopwatch to calculate how long QAM simulation takes OFDM_simulation_time = toc; if OFDM_simulation_time > 60 disp(strcat('Time for OFDM simulation=', num2str(OFDM_simulation_time/60), ' minutes.')); else disp(strcat('Time for OFDM simulation=', num2str(OFDM_simulation_time), ' seconds.')); end ********************* function y = pol2bin(x) % pol2bin % % Chuyen doi cac so phan cuc (-1,1) thanh cac so nhi phan (0,1) % Chap nhan mot mang 1-D cua cac so phan cuc % Loai bo cac zeros, khi chung khong hop le % % Loai bo cac zeros - Khong can cho giai ma y = ones(1,length(x)); for i = 1:length(x) if x(i) == -1 y(i) = 0; end end ***************************** % QAM.m So sanh OFDM (Da song mang) voi QAM da muc (Don song mang) % Khi chung ta phat cung mot so luong bit giong ngau tren mot chu ky thoi % gian Phụ lục www.4tech.com.vn 79 read % Doc du lieu cho QAM - Khong anh huong den OFDM data_in_pol = bin2pol(data_in); % Chuyen doi du lieu nhi phan thanh du lieu phan cuc % Kiem tra so song mang co phai la luy thua cua 2 is_pow_2 = num_carriers; temp_do_QAM = 0; if is_pow_2 ~= 2 while temp_do_QAM == 0 temp_do_QAM = rem(is_pow_2,2); is_pow_2 = is_pow_2/2; if is_pow_2 == 2 temp_do_QAM = -99; end end else temp_do_QAM = -99; % 2 la luy thua cua 2 end if temp_do_QAM ~= -99 do_QAM = 0; % Khong the thuc hien disp(' '),disp('ERROR: Cannot run QAM because num_carriers is not valid.') disp(' Please see "setup.m" for details.') end if do_QAM == 1 tic % Bat dau de tinh toan thoi gian mo phong thuc hien QAM disp(' '), disp('------------------------------------------------------------') disp('QAM simulation'), disp('Transmitting') ****** Them cac muc zeros de du lieu duoc chia thanh cac phan bang nhau data_length = length(data_in_pol); r = rem(data_length,num_carriers); if r ~= 0 for i = 1:num_carriers-r data_in_pol(data_length+i) = 0; %Them dau vao voi cac zeros vao tap hop du lieu end %Toc do co the duoc cai thien end data_length = length(data_in_pol); %Cap nhat sau khi them Phụ lục www.4tech.com.vn 80 num_OFDM_symbols = ceil(data_length / (2*num_carriers)); % So ky hieu QAM duoc bieu dien bang so luong cua du lieu tren mot ky % hieu OFDM num_QAM_symbols = num_carriers / 2; % So mau tren ky hieu QAM num_symbol_samples = fft_size / num_QAM_symbols; **** *Chuyen doi du lieu phan cuc [-1, 1] thanh du lieu 4 muc [-3, -1, 1, 3]**** data_in_4 = zeros(1,data_length/2); for i = 1:2:data_length data_in_4(i - (i-1)/2) = data_in_pol(i)*2 + data_in_pol(i+1); end % Dinh ro diem lay mau giua 0 va 2*pi ts = linspace(0, 2*pi*QAM_periods, num_symbol_samples+1); % Phat du lieu 16-QAM % Tong do dai cua truyen dan 16-QAM tx_length = num_OFDM_symbols * num_QAM_symbols * num_symbol_samples; QAM_tx_data = zeros(1,tx_length); for i = 1:2:data_length/2 for k = 1:num_symbol_samples QAM_tx_data(k+((i-1)/2)*num_symbol_samples) = data_in_4(i)*cos(ts(k)) + data_in_4(i+1)*sin(ts(k)); end end % Do channel simulation on QAM data xmit = QAM_tx_data; % ch dung du lieu 'xmit' va tra ve 'recv' ch QAM_rx_data = recv; % Luu du lieu QAM sau khi mo phong kenh clear recv %Loai bo 'recv' sao cho no khong nhieu voi OFDM clear xmit % Loai bo 'xmit' sao cho no khong nhieu voi OFDM disp('Receiving') % Khoi phuc du lieu nhi phan (Giai ma QAM) cos_temp = zeros(1,num_symbol_samples); % sin_temp = cos_temp; % Phụ lục www.4tech.com.vn 81 xxx = zeros(1,data_length/4); % Khoi tao muc khong cho toc do yyy = xxx; % QAM_data_out_4 = zeros(1,data_length/2); % for i = 1:2:data_length/2 % "cheating" for k = 1:num_symbol_samples ************Tang so song mang de tao tan so cao va du lieu goc********** cos_temp(k) = QAM_rx_data(k+((i- 1)/2)*num_symbol_samples) * cos(ts(k)); sin_temp(k) = QAM_rx_data(k+((i- 1)/2)*num_symbol_samples) * sin(ts(k)); end % LPF va xac dinh - chung ta se rat don gian LPF bang phep trung % binh xxx(1+(i-1)/2) = mean(cos_temp); yyy(1+(i-1)/2) = mean(sin_temp); ************ Khoi phuc du lieu thanh dang noi tiep******************** QAM_data_out_4(i) = xxx(1+(i-1)/2); QAM_data_out_4(i+1) = yyy(1+(i-1)/2); end ********************** %Tinh toan giua cac muc khong zeros_between = ((fft_size/2) - (num_carriers + num_zeros))/(num_carriers + num_zeros); spaced_chunks = zeros(num_chunks,fft_size); %Them vao giua cac muc khong i = 1; for k = zeros_between +1:zeros_between +1:fft_size/2 spaced_chunks(1:num_chunks,k) = padded_chunks(1:num_chunks,i); i = i+1; end % Gap du lieu de tao ra mot ham le cho dau vao IFFT for i = 1:num_chunks % Chu y: chi muc = 1 that ra la tan so mot chieu de ifft -> no khong % tao ban sao len truc y do thi spaced_chunks(i,fft_size:-1:fft_size/2+2) = conj(spaced_chunks(i,2:fft_size/2)); end Phụ lục www.4tech.com.vn 82 ********Thuc hien xac dinh giua cac muc [-3, -1, 1, 3]****** for i = 1:data_length/2 if QAM_data_out_4(i) >= 1, QAM_data_out_4(i) = 3; elseif QAM_data_out_4(i) >= 0, QAM_data_out_4(i) = 1; elseif QAM_data_out_4(i) >= -1, QAM_data_out_4(i) = -1; else QAM_data_out_4(i) = -3; end end ******Chuyen doi du lieu 4 muc [-3, -1, 1, 3] ve du lieu phan cuc [-1, 1]****** QAM_data_out_pol = zeros(1,data_length); % "cheating" for i = 1:2:data_length switch QAM_data_out_4(1 + (i-1)/2) case -3 QAM_data_out_pol(i) = -1; QAM_data_out_pol(i+1) = -1; case -1 QAM_data_out_pol(i) = -1; QAM_data_out_pol(i+1) = 1; case 1 QAM_data_out_pol(i) = 1; QAM_data_out_pol(i+1) = -1; case 3 QAM_data_out_pol(i) = 1; QAM_data_out_pol(i+1) = 1; otherwise disp('Error detected in switch statment - This should not be happening.'); end end QAM_data_out = pol2bin(QAM_data_out_pol); % Chuyen doi ve du lieu nhi phan