1Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
TÀI LIỆU THAM KHẢO
CHUYÊN NGHÀNH VÔ TUYẾNKHOA VIỄN THÔNG 1
Summarized by Nguyen Viet Dam
Faculty of Telecommunications I
Posts and Telecommunications Institute of TechnologiesAddress: PTIT- Km10-Nguyen Trai Street, HaDong, HaNoi
Office : (0)84-(0)4-8549352, (0)84-(0)34- 515484
Mob: 0912699394
PHỔ TÍN HIỆU
DỊCH PHỔ TẦN TÍN HIỆU_OFDM
2Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
NỘI DUNG
TÍN HIỆU VÀ PHỔ TẦN TÍN HIỆU
KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN
ĐIỀU CHẾ VÀ DỊCH PHỔ TẦN TÍN
HIỆU
KỸ THUẬT OFDM
3Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
TÍN HIỆU VÀ PHỔ TÍN
HIỆU
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
1.2. Điều chế tín hiệu và dịch phổ tần
1.3. Xử lý tín hiệu trong miền thời gian Time Processing
1.4. Xử lý tín hiệu trong miền tần số Frequency Processing
1
4Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Tín hiệu và phân loại:
Tín hiệu có các giá trị thay đổi theo thời gian => Tín hiệu tương tự, tín hiệu
số
Mức độ có thể mô tả hoặc dự đoán tính cách của hàm => Tín hiệu tất định
và tín hiệu ngẫu nhiên.
Thời gian tồn tại tín hiệu (hàm) => hàm quá độ, hàm vô tận (tuần hoàn)
Tín hiệu kiểu năng lượng, tín hiệu kiểu công suất
• Tín hiệu tất định: Xác định được giá trị tại mọi thời điểm và được mô hình hóa bởi
các biểu thức toán rõ ràng, VD x(t)=5cos(10t)
• Tín hiệu ngẫu nhiên: Tồn tại mức độ bất định trước khi nó thực sự xảy ra, không
thể biểu diễn bằng một biểu thức toán rõ ràng, nhưng khi xét trong khoảng thời
gian đủ dài dạng sóng ngẫu nhiên được coi là một quá trình ngẫu nhiên có thể: (i)
biểu lộ một qui tắc nào đó; (ii) được mô tả ở dạng xác suất và trung bình thống kê.
Cách mô tả ở dạng xác suất của quá trình ngẫu nhiên thường rất hữu hiệu để đặc
tính hóa tín hiệu, tạp âm, nhiễu,.... trong hệ thống truyền thông.
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
5Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Khái niệm: Một tín hiệu ngẫu nhiên (quá trình ngẫu nhiên) X(t) là tập
hợp các biến ngẫu nhiên được đánh chỉ số theo t. Nếu cố định t = ti, thì
X(ti) là một biến ngẫu nhiên. Sự thể hiện thống kê của các biến ngẫu
nhiên có thể được trình bầy bằng hàm mật độ xác suất (pdf: Probability
density function) liên hợp của chúng. Sự thể hiện của một quá trình
ngẫu nhiên có thể được trình bầy bằng các hàm mật độ xác suất (pdf)
liên hợp tại các thời điểm khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế ta không
cần biết pdf liên hợp mà chỉ cần biết thống kê bậc 1 (trung bình) và
thống kê bậc 2 (hàm tự tương quan là đủ).
Tín hiệu ngẫu nhiên
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
6Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Trung bình của một quá trình ngẫu nhiên X(t) là kỳ vọng
(trung bình tập hợp) của X(t):
ACF của quá trình ngẫu nhiên
( )
of X(t) at time t
( ) ( ) ( ) ( )X X t
t E X t X t p x dx
( ) ( ) 1 2 1 2
( , ) [X(t)X(t+ )]
( , )
X
X t X t
t t E
p x x dx dx
Tín hiệu ngẫu nhiên
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
7Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Nếu trung bình X(t) và hàm tự tương quan X(t,t+) không
phụ thuộc thời gian, thì X(t) là được coi là quá trình dừng
nghĩa rộng (WSS: Wide sense stationary) => có thể bỏ qua
biến ngẫu nhiên t và sử dụng X() cho hàm ngẫu nhiên.
-j2 f
-
1 j2 f
-
2 j2 f
- -0
: ( ) [ ( )]= ( )e
: ( ) [ ( )]= ( )e
P[ ]=E[X ( )]= (0)= ( )e ( )
X X X
X X X
X X
f F d
F f f df
t f df f df
PSD
ACF
Tín hiệu ngẫu nhiên
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
8Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
0tt 0
0tt 0
0 0 0( ) ( , )x t x t
( ) ( , )x t x t
0( ) ( , )x t x t 0 0( ) ( , )x t x t
Ergodic SS WSS qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn
Quá trình ngẫu nhiên
Hàm
mẫu
Số thực (phức)
Biến
ngẫu
nhiên
All Random Processes: Mọi quá trình ngẫu nhiên
WSS: Quá trình ngẫu nhiên dừng nghĩa rộng
SS: Quá trình ngẫu nhiên dừng chặt
Ergodic: Quá trình Ergodic
Tín hiệu ngẫu nhiên
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
9Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
( ) K T
k
X t A p t kT
Tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên băng gốc
2
sin( )
:
( ) ( ) 1
xSinc x
xNote
Sinc x dx Sinc x dx
X(t)
t
A
-A0-T T 2T 3T 4T 5T 6T 7T-2T
0A
1A 2A1A
2A 3A
4A
5A 6A
7A
8T
Một thực hiện của tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên băng gốc X(t)
:
:
1 0( )
0
Trong ®ã:
l¯ biÕn NN ph©n bè ®ång nhÊt ®éc lËp i.d.d, nhËn gi¸ trÞ A ®ång x¸c xuÊt
l¯ biÕn NN ph©n bè ®Òu trong kho°ng [0 ®Õn T] X(t) trë th¯nh WSS
nÕu
nÕu kh¸c
K
T
A
t Tp t
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
10Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
2
2
( ) ( ) ( )
1 ,
0 ,
( )
x
T
E X t X t
A TT
A
ACF :
nÕu kh¸c
2 2 ( ) . ( )X f A T Sinc fT
PSD
2
2
1 ; 1 1 ;( ) ( )
0; 10;
( )( ) .
Tam gi¸c ®¬n vÞH¯m tam gi¸c ®¬n vÞ ®¸y 2T
TÝnh chÊt tû lÖ c
T
T
tt t t Tt
t t TTt
t T
FT t SinC fFT t T SinC Tf
ña FT
a) Hàm tương quan AFC
b) Mật độ phổ công suất PSD
-2
fT
( )X f2
A T
0 1 2 3-1-3
0-T +T
( )X 2A
Hàm tự tương quan ACF và mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu
nhị phân ngẫu nhiên băng gốc
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
11Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Tín hiệu băng thông (1/2)
:
( ) ( ).cos 2
c f : tÇn sè sãng mang gãc pha ngÉu nhiªn ph©n bè ®Òu trong [0,2 ] kh«ng phô thuéc vào X(t) Y(t) th¯nh WSS
Y X ct t f t
2
22 2
1: ( ) ( ) )
2
1: ( ) ( ) ( )
4
: ( ) ( ) )2
: ( ) ( ) ( )4
c
NÕu X(t) l¯ tÝn hiÖu nhÞ ph©n ngÉu nhiªn, th×
c
os(2 f
os(2 f
[ T] [
Y X
Y X c X c
Y T
Y c c
c
f f f f f
Ac
A Tf Sinc f f Sinc f f
ACF
PSD
ACF
PSD
T]
( )Y
-T T
2A /2
2-A /2
4 /cf T
( )Y f
2A T /4
cfcf 1cf
T
2cf
T
3cf
T
1cf
T
2cf
T
3cf
T
1cf
T
2cf
T
3cf
T
1cf
T
2cf
T 3
cfT
f
Tự tương quan ACF và PSD của tín hiệu nhi phân X(t) được điều chế
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
12Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Ảnh hưởng của hạn chế băng thông và định lý Nyquist
a) Hàm truyền đạt của bộ lọc thông thấp lý tưởng
b) Xung kim đầu vào và đáp ứng đầu ra c) Dẫy xung kim đầu vào và đáp ứng đầu ra
T0 2T0 3T0-T0-2T0-3T0 0
h(t)2f0 2f0
h(t) h(t-T)
t0 0 T t
T 2T 3T-T-2T-3T 0t
0
fH(f) =
2f
f0: tần số cắt
ff0-f0
1
( )tTδ( )tδ
( ) ( )x t t δ 0 0
( ) ( ) ( ) ( )
2 2
y t t h t h t
f Sinc f t
δ
f
1 ( ). ( )
( )
( )
Y f X H
f
f
H
f
-f0 f0 f
(( ))f tX FT
( )tδ ( )tTδ
1
0 0
t
12
12
1,( )
0,
ff
f
®îc gäi l¯ kho°ng c¸ch Nyquist
0
0
0
T
1T T
2f
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
13Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Nếu độ rộng băng tần của đường truyền dẫn bị hạn chế =>
xung thu mở rộng ở đáy => ISI (InterSymbol Interference).
Các điểm không xuất hiện tại thời điểm kT0 = k/(2f0) với khác
không, T0 được gọi là khoảng cách Nyquist.Nếu phát đi một dẫy xung kim T(t) cách nhau một khoảng Nyquist và tiến hành
phân biệt các xung này tại kT0, thì có thể tránh được ISI (hình c).
Nếu T<T0, thì sự chồng lấn của các xung này làm ta không thể phân biệt được
chúng. Nói một cách khác độ rộng băng tần cần thiết để phân biệt các xung
(các ký hiệu) có tốc độ ký hiệu Rs=1/T phải bằng 2f0=1/T0 (f0=1/2T0)
Ảnh hưởng của hạn chế băng thông và định lý Nyquist
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
Giíi h¹n ®é réng b¨ng tÇn Nyquist
s0
R1f = =
2T 2
Note that the Nyquist bandwidth f0 is the
minimum possible bandwidth that is required to
realize the date rate Rs without ISI
14Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
t
h(t)
1
Roll(f)
(1 )0f (1 )0f 0fT0 2T0 3T0-T0-2T0-3T0 0
02f
f
b) Đáp ứng xung kim
0
0 0 2
0
cos 22 (2 )
1 4h(t)
f tf Sinc f t
f t
0
0 0
0
0
1, | | (1 )
11 sin (| | ) , (1 ) | | (1 )
2 2
0, | | (1 )
Roll(f)
o
khi f f
f f khi f f ff
khi f f
a) Đặc tính dốc cosin
Ảnh hưởng của hạn chế băng thông và định lý Nyquist
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
15Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Băng thông tối thiểu cần thiếtĐối với truyền dẫn băng gốc: Băng thông Nyquist, băng thông tối thiểu cần
hiết để phân biệt các xung mà không bị ISI:
BN = f0(1+) = Rs(1+)/2
Đối với đường truyền dẫn băng thông: Băng thông Nyquist:
BN = f0(1+) = Rs(1+)
trong đó Rs là tốc độ truyền dẫn hay tốc độ ký hiệu.
Quan hệ giữa tốc độ ký hiệu và tốc độ bit
Rs=Rb/k
trong đó k là số bit trên một ký hiệu.
Ảnh hưởng của hạn chế băng thông và định lý Nyquist
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
16Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
sin( x) x( x)sinc(x) sinc (x) sincT
T
: x 0
1 : x 0
Hàm sinc(x) & sincT(x)
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
T-3T
sincT(t)
t
1
-T
2T-2T
3T
4T-4T
17Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Phổ của xung rect & sinc
T.sinc1/T(f)
t
T/2-T/2
1
rectT(t)
f
T
1/T-1/T
2/T-2/T
3/T-3/T
4/T-4/T
Fourier
transform
Real part
shown
Imag part = 0
f
1/(2T)-1/(2T)
T
T.rect1/T(f)sincT(t)
t
1
T-T
2T-2T
3T-3T
4T-4T
Fourier
transform
Real pt shown
Imag pt = 0
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
18Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Phổ của xung RC 50% & phổ
RC(f)
t
T/2-T/2
1
rc(t)
f
T
1/T-1/T
2/T-2/T
3/T-3/T
4/T-4/T
Fourier
transform
Real part shown
Imag part = 0
-3T/4
3T/4
f
1/(2T)-1/(2T)
T
RC(f)rc(t)
t
1
T-T
2T-2T
3T-3T
4T-4T
Fourier
transform
Real pt shown
Imag pt = 0
3/(4T)
-3/(4T)
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
19Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
Fourier transform pair of Square waveform
Fourier transform pair of triangular waveform
Fourier transform pair of Gaussian waveform
20Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
ĐIỀU CHẾ VÀ DỊCH PHỔ
TẦN TÍN HIỆU
2
21Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Tại sao phải điều chế tín hiệu? Để sử dụng được môi trường truyền dẫn
vào mục đích truyền thông cần phải:Đặc tính hóa, thông số hóa môi trường truyền dẫn (xác định, khám phá tài
nguyên truyền dẫn), chẳng hạn như xác định cửa sổ truyền dẫn quang, cửa
sổ truyền dẫn vô tuyến, dải tần truyền dẫn của cáp đồng...khả năng truyền
dẫn của môi trường và tham số đặc trưng.
Đặc tính hóa nguồn tín hiệu cần truyền, chẳng hạn: âm thanh, hình ảnh, dữ
liệu, tín hiệu điện,.. => độ rộng băng tần (lượng tin) của các nguồn tin và tham
số đặc trưng của nguồn tin.
Dùng các sóng mang (hay tín hiệu) có các thông số đặc trưng phù hợp với
thông số đặc trưng của môi trường truyền để truyền tín hiệu tin tức bằng cách
điều chế sóng mang, biến đổi tín hiệu, sự kết hợp giữa chúng, chẳng hạn:
truyền tín hiệu âm thanh trên cáp đồng bằng cách dùng Micro để biến đổi
thanh áp thành tín hiệu điện âm tần; điều chế quang để truyền tín hiệu trên
môi trường cáp sợi quang (phù hợp hóa giữa thông số sóng ánh sáng và cửa
sổ truyền dẫn của sợi quang); sự kết hợp giữa điều chế sóng mang RF (dịch
phổ tần của tín hiệu thông tin lên vùng tần RF) và anten bức xạ sóng điện từ
tường (chuyển tín hiệu RF thành điện từ trường) để truyền dẫn tín hiệu trên
môi trường vô tuyến...
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
22Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Giảm kích thước anten: Điện thoại di động,
anten có kích thước tiêu biểu bằng ¼ λ
Nếu truyền tín hiệu băng cơ sỏ (3000Hz), kích thước anten là
Phải điều chế trên sóng mang tần số cao RF (ví dụ 900MHz)
km 2544
f
c
25km
8cm
Dịch phổ tần: Đặt phổ tần của tín hiệu vào một dải
tần được chỉ định trước, đặt phổ tần tín hiệu thông
tin vào cửa sổ truyền dẫn nhằm: sử dụng hết tài
nguyên phổ tần (ghép kênh phân chia tần số
FDM, WDM), phân bổ phổ tần, quy hoạch và
quản lý tài nguyên phổ tần... Phục vụ các kỹ thuật
sử dụng hiệu quả tài nguyên....
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
23Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Phân loại tín hiệu và
điều chế: Dựa vào tài
nguyên phổ tần và mục
đích truyền thông:Tín hiệu băng tần cơ sở,
điều chế/giải điều chế
băng tần cơ sở, truyền dẫn
tín hiệu băng tần cơ sở.
Tín hiệu thông dải (thông
băng), điều chế/giải điều
chế tín hiệu thông băngChuyển đổi tín hiệu băng gốc-tín hiệu thông băng
trong miền thời gian (vòng trong)và miền tần số
(vòng ngoài)
Tín hiệu băng tần gốc phức
Tín hiệu thông băng giá trị thực
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
24Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Baseband
signal
Bandpass
signal
Local oscillator
Minh họa tín hiệu băng tần gốc và tín hiệu thông băng
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
25Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Đánh giá hiệu năng: Tiêu chí cơ bản để đánh giá và so
sánh các phương pháp điều chế/giải điều chế khác nhau
là: hiệu năng dung lượng và hiệu năng chất lượng (khả
năng đối phó nhược điểm của môi trường truyền dẫn:
phađinh, suy hao, nhiễu... và hạn chế băng thông của
kênh).
Hiệu năng chất lượng: BER hay khả năng đối phó nhược điểm về
chất lượng (khả năng khắc phục ảnh hưởng của phađinh, suy
hao...) của môi trường truyền.
Hiệu năng dung lượng: Hiệu quả chiếm dụng phổ tần hạn chế của
môi trường truyền.
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
26Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Mục tiêu thiết kế1. Tối đa tốc độ số liệu. Một số mục tiêu đối
lập như: mục tiêu
(1&2) đối lập với
mục tiêu (3&4), vì
vậy cần lựa chọn
một giải pháp dung
hòa (tối ưu) sao cho
thỏa mãn nhiều mục
tiêu.
2. Giảm thiểu xác suất lỗi ký hiệu.
3. Giảm thiểu công suất suất phát.
4. Giảm thiểu độ rộng kênh.
5. Tối đa khả năng chống nhiễu.
6. Giảm thiểu mức độ phức tạp của mạch và tối đa tận dụngtài nguyên (trang thiết bị & phổ tần, không gian, mã, thờigian).
Các ràng buộcĐộ rộng băng tần cực tiểu theo lý thuyết Nyquist
Lý thuyết dung lượng kênh Shannon
Phân bổ phổ tần.
Hạn chế về kỹ thuật
Các yêu cầu khác như quỹ đạo vệ tinh
Dung hòa điều chế và mã hóa được xem là thay đổi quan điểm khai thác hiệu năng xác suất lỗi & hiệu quả sử dụng băng thông
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
27Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Tạo tín hiệu si(t) và khôi phục các hệ số sij.
Mô hình phát/thu tín hiệu:
Bé t¬ng quan
Bé t¬ng quan
Bé t¬ng quan1( )t
( )N t
1is
iNs
T
0
dt
T
0
dt
2 ( )t
2is
T
0
dt
1( )t
2 ( )t
( )N t
1is
2is
iNs
)t(si
1
0( ) . ( )
1,2,...,
;
N
i ij j
j
t Ts t s t
i M
0
( ). ( )
T
ij i js s t t dt
§ång bé sãng mang
0
( ). ( )1, nÕu i j, Unit Energy
0, nÕu i j Orthogonality
T
i jt t dt
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
28Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Đáp ứng của các bộ tương quan lên tạp âm
WGN
( )X t
1( )t
2 ( )t
( )N t
1is
2is
iNs
)t(si
§ång bé sãng mang
( ) ( ) ( )iy t s t X t
0
( ) ( )
, 1, 2,..,
T
j j
ij j
Y Y t t dt
s X j N
Bé t¬ng quan
Bé t¬ng quan
Bé t¬ng quan1( )t
( )N t
T
0
dt
T
0
dt
2 ( )t
T
0
dt
NY
2Y
1Y
AWGN
0 0
0 0
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
, 1,2,...,
j
ij j
Y j
§¹i lîng tÊt ®Þnh s BiÕn ngÉu nhiªn X
m E Y
T T
j j i j
T T ij j
i j j
ij j
Y Y t t dt s t X t t dt
E s X
s t t dt X t t dt
s X j N
2
2
0N
j
ij
Y
s
is
1( )t
2 ( )t
3( )ti1s
i2s
i3s
xy
+x1
+x2
+x3
(Biểu diễn tín hiệu và tạp âm trong
không gian tín hiệu)
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
29Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
FDM
Fre
quen
cy
Frequency channelBm
Bc
Power FDMA
TimeSerial
To
Parallel
(S/P)
X
X
X
cos(2f1t)
cos(2fN-1t)
S
BPF
BPF
BPF
s(t)
cos(2f0t)
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
30Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
t
T/2-T/2
1
rectT(t)
Modulate F
t
T/2-T/2
1
rectT(t)
Modulate F+2/T
t
T/
2
-
T/2
1
rectT(t)
Modulate F+1/T
T.sinc1/T(..)
f
T
F+2/T
F
T.sinc1/T(f-F)
f
T
F+1/T
F
T.sinc1/T(..)
f
F+2/T
F+1/T F+3/T
Assume purely
real spectrum
Kết hợp các băng con OFDM & Phổ của tín hiệu OFDM
1.2. Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu
f
1/T 3/T
Combine
real
spectra
Assume
purely real
spectra
Fou
rier
tran
sform
SU
M
31Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
TÍN HIỆU VÀ PHỔ TÍN
HIỆU
1.1. Tín hiệu và phổ tín hiệu
1.2. Điều chế tín hiệu và dịch phổ tần
1.3. Xử lý tín hiệu trong miền thời gian Time Processing
1.4. Xử lý tín hiệu trong miền tần số Frequency Processing
2
32Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM as:
Multicarrier Modulation
& Multiplexing/Multi-Access1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
+ Multi-Carrier Transmission
+ OFDM Modulation
+ OFDM Demodulation
2. OFDM IMPLEMENTATION USING IFFT/FFT PROCESSING
3. CYCLIC-PREFIX INSERTION
4. FREQUENCY-DOMAIN MODEL OF OFDM TRANSMISSION
5. CHANNEL ESTIMATION AND REFERENCE SYMBOLS
6. FREQUENCY DIVERSITY WITH OFDM: IMPORTANCE OF CHANNEL CODING
7. SELECTION OF BASIC OFDM PARAMETERS:
+ OFDM Subcarrier Spacing
+ Number of Subcarriers
+ Cyclic-Prefix Length
8. VARIATIONS IN INSTANTANEOUS TRANSMISSION POWER
9. OFDM AS A USER-MULTIPLEXING AND MULTIPLE-ACCESS SCHEME
10. MULTI-CELL BROADCAST/MULTICAST TRANSMISSION AND OFDM
3
33Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
Single-Carrier vs. Multi-Carrier Transmission
Single-carrier baseband communication system model.
The structure of multichannel transmission systemThe frequency response of multichannel
transmission system
Structure and frequency characteristic of multichannel transmission system.
34Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Structure and spectral characteristic of multicarrier transmission system.
Spectral characteristic of multicarrier system
Basic structure of multicarrier system
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
Single-Carrier vs. Multi-Carrier Transmission
35Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Outline of OFDM transmission scheme
OFDM transmission scheme implemented using IDFT/DFTPower spectrum of OFDM signal (dB)
The spectrum of OFDM signal (linear scale)
Structure and spectral characteristic of OFDM transmission scheme
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
Single-Carrier vs. Multi-Carrier Transmission
36Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
Single-Carrier vs. Multi-Carrier Transmission
Structure and power spectrum of FMT transmission scheme.
Structure of FMT transmission scheme
Power spectrum of FMT signal
37Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Extension to wider transmission bandwidth by means of multi-carrier transmission.
Multi-Carrier Transmission
Narrow-band transmission Wideband multi-carrier transmission
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
38Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Theoretical WCDMA spectrum. Raised-cosine shape with roll-off α=0.22
Multi-Carrier Transmission
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
39Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Frequency domain:
Spectrum for basic OFDM transmission
Time domain:
Per-subcarrier pulse shape
OFDM subcarrier spacing.
Basic principles of OFDM
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
u
x
T
2
X u u
(τ)=E X(t)X(t+τ)
=Λ (τ)
:Φ (f)=T .Sinc (fT )
ACF :
PSD
40Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Basic principle of OFDM demodulation.
Principles for OFDM modulation
OFDM time–frequency grid.
OFDM Modulation & OFDM Demodulation
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
41Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM Modulation & OFDM Demodulation
1. OFDM as a Multicarrier Modulation:
42Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM IMPLEMENTATION USING IFFT/FFT
PROCESSING
OFDM modulation by means of IFFT processing.
OFDM demodulation by means of FFT processing.
43Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
CYCLIC-PREFIX INSERTION
Time dispersion and corresponding received-signal timing
Cyclic-prefix insertion
44Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Frequency-domain model of OFDM transmission/reception.
CYCLIC-PREFIX INSERTION
45Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
FREQUENCY-DOMAIN MODEL OF OFDM
TRANSMISSION
Frequency-domain model of OFDM transmission/reception with “one-tap equalization” at the receiver.
46Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
CHANNEL ESTIMATION AND REFERENCE
SYMBOLS
Time–frequency grid with known reference symbols.
Transmission of single
wideband carrier
OFDM transmission over a
frequency-selective channel.
47Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM History
• High-data-rate communications systems are limited not by
noise, but often more significantly by the intersymbol
interference (ISI) due to the memory of the dispersive
communications channel.
– If the symbol rate exceeds the duration of channel impulse response
(CIR), mechanisms must be implemented in order to combat the
effects of ISI.
• Channel equalization techniques can be used to suppress the echoes
caused by the channel.
• Significant research efforts have been invested into the development of
such channel equalizers
– Another approach is to utilize an FDM system which employs a set of
subcarriers in order to transmit information in parallel subchannels
over the same channel.
• The data throughput of each channel is only a fraction of the data rate of
the single-carrier system having the same throughput.
48Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
frequency frequency
frequency r
esponse
frequency r
esponse
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
OFDM is a considerable option when the channel introduces ISI
Applications: ADSL, DAB, DVB, Hiperlan/2, ...
Frequency Selective Channel
• Uses the entire bandwidth • Splits bandwidth into subchannels
• Short symbol times
• This causes ISI
• Sends information in parallel
• OFDM: orthogonal subcarriers
Single Carrier Multicarrier
Why OFDM?
49Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
FDM vs. OFDMF
req
uen
cy
Frequency channelBm
Bc
Power FDMA
TimeSerial
To
Parallel
(S/P)
X
X
X
cos(2f1t)
cos(2fN-1t)
S
BPF
BPF
BPF
s(t)
cos(2f0t)
50Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM History• In 1971, Weinstein suggested using a digital implementation based on the DFT.
– The DFT is by its nature cyclically redundant in the frequency domain.
– The associated harmonically related frequencies can be used as a set of subchannels
carriers required by the OFDM system.
51Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Multipath can be described in two domains:
time and frequency
time
time
Sinusoidal signal as input
time
time
Sinusoidal signal as output
f
Frequency response
Time domain: Impulse response
Frequency domain: Frequency response
time
Impulse response
timetime
52Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Modulation techniques: monocarrier vs.
multicarrier
To improve the spectral efficiency:
To use orthogonal carriers (allowing overlapping)
Eliminate band guards between carriers
– Selective Fading
– Very short pulses
– ISI is compartively long
– EQs are then very long
– Poor spectral efficiencybecause of band guards
Drawbacks
– It is easy to exploit
Frequency diversity
– Flat Fading per carrier
– N long pulses
– ISI is comparatively short
– N short EQs needed
– Poor spectral efficiencybecause of band guards
Advantages
Furthermore
– It allows to deploy
2D coding techniques
– Dynamic signalling
N carriers
B
Pulse length ~ N/B
Similar toFDM technique
– Data are shared among several carriersand simultaneously transmitted
B
Pulse length ~1/B
– Data are transmited over only one carrier
Channel
Guard bands
Channelization
53Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Orthogonal Frequency Division Modulation
Data coded in frequency domain
N carriers
B
Transformation to time domain:
each frequency is a sine wave
in time, all added up.
f
Transmit
Symbol: 8 periods of f0
Symbol: 4 periods of f0
Symbol: 2 periods of f0
+
Receivetime
B
Decode each frequency
bin separately
Channel frequency
response
f
f
Time-domain signal Frequency-domain signal
54Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Each subcarrier is modulated at a low enough rate that dispersion (ISI) is
not a problem. Subcarriers must be spaced so that they do not interfere.
x
x
x
cos(2f0t)
cos(2f1t)
cos(2fN-1t)
LPF
LPF
LPF
P/S
Demodulator
r(t)
Detector
Detector
Detector
f0 f1 fN-1
Bandwidth, B
S(f)
55Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM)
OFDM is a special case of multicarrier transmission that permits
subchannels to overlap in frequency without mutual interference
increased spectral efficiency.
OFDM exploits signal processing technology to obtain cost-effective
means of implementation.
Mulitple users can be supported by allocating each user a group of
subcarriers.
Bandwidth, ~ B/2
56Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Spectrum of OFDM Signal
When N is large, the power spectral density (PSD) of the transmitted signal is
PSD of OFDM Signal
57Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
OFDM Demodulator
x
x
cos(2fct)
/2
LPF
LPF
A/D S/P DFT P/SReceived
Bit
Stream
r(t)
S/P IDFT P/S
Real
Img
BPF
x
x
S
OFDM Modulator
Bit
Streams(t)
cos(2fct)
sin(2fct)
58Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
IEEE 802.11 Wireless LAN
• IEEE 802.11 standard:– unlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4Ghz, 5.1Ghz, 5.7Ghz
and 802.11b 802.11a
59Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
Frequency Band
60Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication
The 802.11 Protocol Stack
www.ieee802.org/11/
61Nguyễn Viết Đảm
OFDM:Concept_Basic_Solution In Wirless Communication