ước lượng kênh truyền trong hệ thống ofdm

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Trang 2

LOI MO DAU

Em xin chân thành cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện, cám ơn sự dạy bảo

tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô khác trong trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Nguyễn Duy Nhật Viễn, người hướng dẫn của em và cô giáo Hoàng Lê Uyên Thục, đã tận tình chỉ bảo dé cho em hoàn thành tốt đồ án này

Để có được kết quả như ngày hôm nay, em rất biết ơn gia đình đã động viên

khích lệ, tạo mọi điều kiện nhất trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù em đã có nhiều có gắng nhưng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô cùng các bạn

Đà Nẵng, ngày 02 tháng 06 năm 2008 Sinh viên

Trang 3

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LOI MO DAU MỤC LỤC CAC TU VIET TAT

CHUONG1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung

1⁄2 Mục đích của đồ án 143 Bố cục cúa đồ án

CHUONG2 KY THUẬT OFDM

2.1 Gidi thigu chương

2.2 Khái niệm OFDM 2.3 So sánh FDM và OFDM 2.4 Tính trực giao 2.5 Cấu trúc OFDM

2.6 — Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 17

2.6.1 Bộ chuyến đổi nối tiếp song song T8 2.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống

OFDM 19

2.6.2.1 Ma héa kénh 19

2.6.2.2 Ánh xạ (mapping) 19

2.6.3 Ứng dung ki thuat IFT/FFT trong OFDM v2]

2.6.4 Tien t6 lip CP (Cyclic Prefix) 22 2.6.5 Điều chế RE 23 2.7 Đồng bộ 24 2.7.1 Đồng bộ kí tự 24 2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang 25 2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 26 2.8 _ Ưu nhược điểm của hệ thống OFD 27 2.81 Ưu điểm 27 2.8.2 Nhược điểm 27

2.9 OFDM trong hé thong .29

2.10 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM 30

2.11 Một số ứng dụng của OFDM wil

2.12 M6 phong 32

2.13 Kết luận chương 35

CHƯƠNG 3 LY THUYET VE KENH TRUYEN 36

3.1 Giới thiệu chương -+ «+<<<+ 36 3.2 _ Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM .36 3.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường 36

Trang 4

3.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh (channel impulse response) 38

3.5 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel transfer ẨuUnn€fÏO n)) c1 3118 1 51 1 k1 HH hưu 39 3.6 Bề rộng độ ốn định về tần số của kênh (coherence bandwidth of the

channel)

3.7 _ Hiệu ứng Doppler

3.8 Kênh phụ thuộc 00/84 3:Vtaầađầđ 40

3.9 _ Bề rộng độ ồn định về thời gian của kênh (coherence duration of the

071013) 8-3

3.10 Các mô hình kênh cơ bản

3.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 3.10.2 Kénh theo phan bé Rice

3.11 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kénh 3.11.1 Tín hiệu phát là hàm xác định 3.1.2 Tín hiệu phát là một hàm xác suất 3.1143 Mối liên hệ giữa hàm tương quan chéo của các tín hiệu vào và ra CHA KOMI 33 44 3.11.4 Mối liên hệ giữa hàm tương quan của các tín hiệu vào và ra của kênh 44

3.12 Kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng + 45

3.12.1 Khái niệm về nhiễu trắng

3.12.2 Các phép biểu diễn toán học cúa nhiễu trắng

3.12.3 Phố công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn

3.12.4 Ảnh hưởng của AWGN đến hệ thống OFDM 3.13 Nhiễu xuyên kí tự ISI - 3.14 NhiễuICI (Inter-carrier interference)

3.15 Dung lượng kênh vô tuyến 3.15.1 Lý thuyết về dung lượng kênh s6 cia Shannon

3.15.2 Thông lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn 3.16 Kết luận chương 51 CHUONG 4 UGC LUQNG KENH TRUYEN TRONG HE THONG OFDM 32 52 4.1 Giới thiệu chương 4.2 — Ước lượng 1D 153 4.2.1 Phương pháp ước lượng bình phương ít nhất (least squares estimation) 253 4.2.2, LMMSE (least minimum mean square error) 257 4.4 — Ước lượng thích nghỉ 62 45 N6isuy .62

4.5.1 Nội suy trong miền tần số .63

4.5.2 Phương pháp nội suy trong miên thời gian 63

Trang 5

4.6.1 Giới thiệu 4.6.2 Kênh truyền 4.6.3 Tiến trình mô phóng 4.6.4 Lưu đồ thuật tốn 4.6.5 Kết q mơ phóng 4.7 Kết luận chương CHUONGS KETLUAN VA HUONG PHAT TRIEN CUA DE TA 5.1 Kétluan

5.2 _ Hướng phát triển của đề tài

Tài liệu thao khảo es

PHAN PHU LUỤC -2- 22222 +2222EE22EE2EE2271E211271211211271E211211211211 211.1 se

Trang 6

CAC TU VIET TAT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER BPSK Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít

Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

c1

CP

Carrier to Interference Ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

(DDFT

DSP

(Inverse) Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc (ngược) Digital Signal Processing

Trang 7

FDD FDM FDMA FIR GI ICI (DEFT ISI LS

Frequency Division Duplexing

Ghép kênh song công phân chia theo tần số Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần sé

Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu han

Guard Interval Dai bảo vệ

Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

(Inverse) Fast Fourier Transform Biến đồi Fourier nhanh thuận (đảo) Intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

Least Square

Trang 8

LMMSE LOS MUX MMSE NLOS OFDM OFDMA PAPR PN

Least Minimum Mean Squared Error Lỗi quân phương tối thiểu tuyến tính Line of Sight

Tuyến truyền dẫn thắng

Multiplex

Đa hợp

Minimum Mean Squared_Error Lỗi quân phương tối thiểu

Non Line Of Sight

Không có tuyến truyền dẫn thăng

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access Da truy cap phan chia theo tần số trực giao

Peak_to_Average Power Ratio (PAR)

Ty số công suất đỉnh trên công suất trung bình Pseudo Noise

Trang 9

PSK Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation

Điều biên cầu phương

QOS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

(Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying Khóa dịch pha (vuông góc)

SER Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi Symbol (kí hiệu)

SNR Signal to Noise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

TDD Time Division Duplexing

Ghép song công phân chia thời gian TDMA Time Division Multiple Access

Trang 10

UL Uplink

Tuyến lên

UMTS Universal Mobile Telecommunnication System

Hệ thống thông tin di động đa năng

Trang 11

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đó tập hợp những sóng mang trực giao với nhau rồi truyền đồng thời Ứng dụng kĩ

thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu

quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading

chọn lọc tần số Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng 40 năm nhưng mà

nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây Những sản phẩm ứng dụng kĩ

thuật OFDM có thé ké dén WIMAX (Worlwide interoperationability for

Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.11, x-DSL (x-

Digital Subcriber Line) va DVT (Digital Video Broadcasting)

OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao, do đó ngày càng có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM Việc ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông thông tin nói chung và hệ thống OFDM nói riêng Với niềm đam mê trong lĩnh vực DSP, cùng với ham muốn tim hiéu ki thuat OFDM, em da chon dé tài nghiên cứu này cho đồ án tốt nghiệp của mình

1.2 Mục đích cia do an

Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM Trong đó, đồ án tập trung nghiên cứu hai loại ước lượng tương đối đơn giản là MMSE và LS, so sánh 2 phương pháp ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình

nhỏ nhất (MMSE) và bình phương ít nhất (LS) cũng như tác động của các loại nhiễu

và các hiện tượng đa đường đến hệ thống thông tin 1.3 Bồ cục cúa đồ án

Đồ án chia làm 5 chương :

Chương l : Giới thiệu khái quát đồ án

Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ

Trang 12

OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại của chương sẽ trình

bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng

Chương 3 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh

cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn

trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mơ phỏng Ngồi ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến

Chương 4 : Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM, trong đó đi sâu vào hai phương pháp ước lượng kênh lỗi bình

phương trung bình nhỏ nhất ( MMSE ) và bình phương ít nhất ( LS )

Trang 13

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng

2.2 Khai niém OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu

độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc

lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại dé tao nén song mang OFDM

OFDM là trường hợp dac biét cua FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứng khác nhau đối với nhiễu

Trang 14

oo

a ee 1H Shipment

FDM Trucking Company OFDM Co

Hình 2.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM

2.3 So sánh FDM và OFDM

Trang 15

Awreliuóe 901234 ° 1 2 3 4 Bub omrior Gub cartier a) Phd OFDM b) Phổ FDM Hình 2.3: Phổ của OFDM và FDM 2.4 Tính trực giao

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu

khác Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mắt tính trực giao là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin

một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợp

của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết dé truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ Hình 2.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ 1 20, (1b) of 4 —1 CS 1 2o, awl \ SF \ J (2b) 10] I -1 oO 1 20; anf \S\S\] (3b) 10) I -1 oO 1 20; (4a) 0 (4b) 10 I 4 e 2| 7 ` (4a) 0 -2| = 3 (4b) 10) 5Š 10 15 20 25 30 % 2 4 6 8 1 i 14 16 Time veavetorm (32 samples) Carrier Frequency (using 32 point FFT)

Trang 16

Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) là mién tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (2.1) C<=i=j

Js ()S, (dt = C* 5(i- j) -{ (2.1)

0<=>i#7

Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2 sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết quả bằng không

2.5 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con : - Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (17) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC sóng mang con sóng mang con Sóng mang con đữ liệu DC dẫn đường 4 a “ Saahaa) 4414141444 sóng mang con bảo vệ ae ự feof tttf | n1 {ttt teoef

Hình 2.5: Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trang 17

emo UL, [th itt int Int,

symbot2 IIT, Tt ttt fit it, tt symbol 3 itl ⁄ I „1l JL, l ⁄, It ~ séng mang din đường ~ séng mang dtr liéu thời gian Hình 2.6: Câu trúc kênh con OFDM „; 0@@® m= @eee@ -™= @000

8 sóng mang con dẫn đường bo sóng mang con đữ liệu

hy: dap ứng tân sô kênh

Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDM

Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.6) Trong kí tự OFDM thứ I và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong mién tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự

OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự

OFDM thir 1 va thir 3

2.6 So dé khéi cia hé thong OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những

Trang 18

là sơ đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn

phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform) Bién déi nhanh Fourier dao (Inverse Fast

Fourier Transform) thuc hiện cùng một thuật toán nhu IDFT, nhung no hiệu qua

hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tat ca các hệ thống thực tế Để truyền

tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được nâng lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tính hiệu RE

xuống băng cơ sở đề xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân

tích tín hiệu trong miễn tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được tách ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

Hinh 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM 2.6.1 Bộ chuyển đối nối tiếp song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy

giai đoạn biến đổi song song thành nói tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữ liệu được phân

phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang Có thể nói biến đồi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tái phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ

Trang 19

Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra

lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo

trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nói tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu

2.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 2.6.2.1 Mã hóa kênh

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thê là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen ré (interleaving) trén giản đồ thời gian — tan số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading

lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thê được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ

vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyền lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh 2.6.2.2 Anh xa (mapping)

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều

ché BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp

thành các nhóm có Nụ, (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp

điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế được

quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

bạbịby | I bạ bạ b; Q

Trang 20

Chang han : [000 -7 000 -7 khi ta sử dụng

phương pháp | 001 -5 001 -5 điều chế 64-QAM

thì sẽ có 6 bit | 011 -3 011 3 đầu vào được tổ chức thành một | 010 -] 010 -] nhóm tương ứng cho một số 110 1 110 1 phức trên đồ thị trưng cho kiểu hình sao đặc | 111 3 111 3

điều chế 64- [40] 5 101 5 QAM (64-QAM

constellation) 100 7 100 7 Trong 6 bit thi 3

bit LSB (by bị bạ) sẽ biểu thi cho

giá trị của L, còn 3 bit MSB (b; bạ bạ) biểu thị cho giá trị của Q

Trang 21

2.6.3 Ứng dung ki thuat IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta da biét OFDM là kỹ thuật

điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Đề làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,

một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng đề thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến

đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện

phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace)

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào XŒ) ,0 <k<N-I1, Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : Af Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là f,= fạ + kAf

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn đưới dạng : N-I xữứ)= 3, X(Œk)e??"t!M10<¡<T, (2.2) k=0 N-1 _ cm wy X (kye in k=0 trong do: VI v x„Œ) = 3 X()e??"*®“ là tín hiệu băng gốc k=0 Ở băng gốc:

+Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu ky TJN, tức là chọn NÑ mẫu trong một

Trang 22

N-I

X (1) = XV.) = > (yen iN 63)

+Nếu thỏa mãn điều kiện A/7, =1, (A/ƒ = —), thì các sóng mang sẽ

trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.4) được viết lại :

MN¬I

x,(n) = >) X(k)e/?7""'" = NIDFT {X(k)} (2.4)

k=0

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng đề lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có : N-1 N-1 N-1 X'@®) _ DFT{x,(n)} = Sx, (mern™ = >> xa n=0 m= n=0 m=0 N-1 Nl tmom-k)/ N-1 =+>_X(m)3S_e2Pe@=9/X =1) Y(m)Nổ(n— k) m=0 n=0 m=0 = Š XŒứn)ð(n—k)= X(k) (2.5) m=0 Ở đây, hàm ổ(»~ k) là hàm delta, được định nghĩa là : 1 khi n=0 - O(n) = " {0 khi nz0 26) 2.6

2.6.4 Tién tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang Ví dụ đối với điều

chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với

OFDM băng thông hệ thống được chia cho N, tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm N, lần so với truyền đơn sóng mang Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu

đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường Có thể

giảm tôi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ

Trang 23

rộng chiều đài của dạng sóng ký hiệu Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng

bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một

số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó Do vậy việc đưa vào các bản copy của

ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của

mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn

Hình 2.9: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Gọi Trrr là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, Tẹ độ dài của khoảng bảo vệ

thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:

T;= Trrr+ To (2.7)

Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu

2.6.5 Điều chế RF

Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản Nó cần được nâng tần trước khi truyền dẫn Việc nâng tần có thể thực hiện bằng kỹ thuật

Trang 24

2.7 Đồng bộ

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chăng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ vẻ tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mắt tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mắt đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số

lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 2.7.1 Đồng bộ kí tự

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi

thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

Lỗi thời gian

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi

thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha

của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương

pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên

độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử

Trang 25

công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tỉnh (fine synchronization) Trong bước nhận biết công suất, tiền hành so sánh công suất

tín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay không Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho

tương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước) xác định đỉnh tự

tương quan để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương

quan có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ) Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tin pilot va gia tri ước lượng kênh

Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta đi xét

sự sai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lây mẫu Đặt giá trị sai

lệch này là d(k) = r(k)-r(k+N) Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lại nằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên d(k) có giá trị rất bé> công suất của d(k) rất bé Nếu không nằm trong trường hợp trên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của

một ký tự OFDM) thì d(k) có giá trị lớn->công suất của d(k) khá lớn Nếu dùng một

cửa số trượt có chiều dài đúng bằng chiều đài của tiền tố lặp thì công suất ra cÓ giá

trị bé nhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới => xác đỉnh được thời điểm bắt đầu

một ký tự OFDM Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ồn định về pha của các sóng

mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang

Trong đồ bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần s6 (frequency error) va thyc hiện ước lượng tần số

Lỗi tần số

Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên

Trang 26

truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ

tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lay mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình

sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mắt tính trực giao)

Hình 2.10: Ảnh hưởng của lỗi tần số (AF) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (®)

Ước lượng tần số

Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, đề thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot,

một số sóng mang được sử dụng đề truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi

giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước

lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Dé tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

Nhân xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phái chặt chẽ hơn Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự

dung hòa hợp lý đề hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra 2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta

Trang 27

Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy

mau dé dam bảo sự đồng bộ

2.8 Ưu nhược điểm cúa hệ thống OFDM

2.8.1 Ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang nay co thé chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên

ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic

prefix nén hé thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng mién tần số khá

đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều

chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chỉ phí hiện thực, hơn

nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quá hơn nhờ vào FFT và

IFFT

2.8.2 Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to- Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn

khiến cho PAPR lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch

Trang 28

dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần

Trang 29

2.9 OFDM trong hệ thống

Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập

đến khi thực hiện hệ thống OFDM Trong hầu hết hệ thông di động, không riêng hệ

thông OFDM, một vài dạng mã hóa kênh truyền được dùng để giảm BER (bit error rate) bằng cách tạo ra sự dư thừa Đó cũng là vấn đề của hệ thống OFDM bởi vì

phần đầu của mã hóa kênh thường là nhỏ hơn rất nhiều so với việc phái truyền lại

toàn phần tin tức bị lỗi

Thông thường sự truyền thông sẽ diễn ra theo 2 hướng, ví dụ giữa BS(base

sfation) và user hoặc ngược lại Có hai cách chính để thực hiện điều đó trong hệ

thống OFDM đó là: FDD(Frequency Divison Duplex) và TDD(Time Division Duplex) Trong hệ thống FDD, đường xuống (từ BS đến user) và đường lên (từ user

đến BS) được phân cách nhau bởi hai dải tần số khác nhau Trong hệ thống TDD, đường lên và đường xuống cùng tần số nhưng được trải trong những khoảng thời

gian khác nhau

Như đã nói ở phần đầu, một vài dạng của mã hóa kênh truyền thường được dùng dé giam BER(bit error rate) Không những thế, một hệ thống OFDM còn đòi hỏi thêm bộ ước lượng độ dịch tần số và ước lượng kênh truyền để đạt được chất lượng tối ưu Bộ ước lượng độ dịch tần số đòi hỏi phải đếm ảnh hưởng của sự chênh lệch tần số giữa bộ dao động nội ở vị trí thu và vị trí nhận (sự chênh lệch này có thể

phá hủy sự trực giao của hệ thống) Nếu như các sóng mang con không trực giao, chúng sẽ gây ra ICI và do đó thông tin gởi đi sẽ rat khó khăn để khôi phục lại Bởi vì mục đích của đồ án là ước lượng kênh truyền cho nên độ dịch tần số được xem như lý tưởng Trong trường hợp ước lượng kênh truyền, đầu tiên ta sẽ ước lượng

trong miền tần số (sau khi giải mã tín hiệu OFDM)

Cách thường hay sử dụng nhất để ước lượng kênh truyền và độ dịch tần số là

dùng kí hiệu pilot Kí hiệu pilot là kí hiệu đã được bên thu và bên nhận biết trước

Tương quan giữa fading kí hiệu pilot và fading của kí hiệu thông tin dữ liệu được gởi đi gần với kí hiệu pilot trong miền thời gian và trong miền tần số là rất mạnh

Trang 30

@@@đ@đ@6đ6đ6đ OOOGOGOGCGCG Song đOâđOđOâđ@C mg GQO0O0000 6 =m 00000000 ec@cecesd ỉ6âG@@@G đđ@6G66G66 Thi gian Kí hiệu dữ liệu ® Kí hiệu pilot oO Ki hiéu null Hình 2.11: - Một ví dụ về sự phan bé pilot

Ta làm quen với một khái niệm mới, đó là kí hiệu null Kí hiệu null thông thường

được gởi trên sóng mang con null, đó đơn giản là sóng mang con không có nội dung Một vài hệ thống truyền thông OFDM sóng mang con null như là một khoảng bảo vệ sao cho hệ thống OFDM không nhiễu sang hệ thống khác có tần số hoạt động gần giống nhau Cột thăng đứng trên hình trên tương đương với một kí hiệu OFDM, trong ví dụ trên ta có 8 kí hiệu OFDM

2.10 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM

1) Xác định băng thông dành cho kênh truyền (B)

2) Xác định giá trị trải trễ lớn nhất của kênh truyền z„

3) Chọn khoảng thời gian tiền tố vòng 7,, cho mỗi một ký tự OFDM phải lớn hơn

giá trị trải trễ lớn nhất z„, thông thường chọn qT, =4.t, để loại bỏ nhiễu ISI,

Trang 31

4) Chọn khoảng cách giữa các sóng mang Af =l1/7, để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang

5) Xác định thời gian tổng cộng của một ký tự OFDM: 7, =7; + T„

6) Xác định số sóng mang phụ (số kênh con) là W = 8/Aƒ

2.11 Một số ứng dụng của OFDM

Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 60, nhưng hệ thống không thể

hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách

chính xác, cũng như việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn

phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chưa phát triển Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng

dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT

Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong

lĩnh vực thông tin quân sự Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB

Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn

đi động 4G

OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số

Trang 32

rộng hơn với số trạm gốc giảm đi Với tính ưu việt của nó, kĩ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi va Wimax

Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dung diém-diém, diém-

đa điểm trong các điều kiện bị che chắn

Sự kết hợp công nghệ modem OFDM va diéu chế thích nghi linh hoạt chỉ có

trong thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng và là các yếu tố chính tạo nên tính năng nồi trội trong các sản phẩm viễn thông

2.12 Mô phỏng

Trong phần mô phỏng, ta sẽ lần lượt mô phỏng đặc tính của kênh truyền, tín hiệu OFDM phat, thu trong miền tần số, thời gian Đồng thời, dé thấy rõ ưu điểm của kỹ thuật OFDM, ta cũng sẽ mô phỏng tín hiệu QAM đơn sóng mang (với cùng một chuỗi nhị phân phát như trong kỹ thuật OFDM) trong miền thời gian và miền

tần số, từ đó xác định tỷ lệ BER khi truyền bằng kỹ thuật OFDM và khi truyền bằng

điều chế 16-QAM đơn sóng mang

Trang 33

Tin hieu nhi phan OFDM phat Tin hieu OFDM phat 1 0.2 0.8 041 0.6 0 0.4 02 -0.1 0 -0.2 0 10 20 30 0 50 100 150 Tin hieu nhi phan OFDM thu Tin hieu OFDM thu 1 0.2 0.1 0.5 0 -0.1 0 -0.2 0 10 20 30 0 50 100 150

Hình 2.13 Tín hiệu OFDM phát và thu

Trang 34

Tin hieu nhi phan QAM phat Tin hieu QAM phat 1 4 0.8 2 0.6 0 0.4 0.2 2 0 - sooo 4 0 10 20 30 0 50 100 150 Tin hieu nhi phan QAM thu Tin hieu QAM thu 1 5 0.5 0 1 0 ———— 10 20 30 40 5 0 50 100 150 Hình 2.15 Tín hiệu QAM phát và thu

Tin hieu QAM phat trong mien tan so 60 r r r 40 | 20; 1 0 L 1 L 1 L L < 0 0.05 0.1 015 02 025 03 035 04 045 0.5 #5 so — 3 o 0 4 2 = 2 5 1 a D S$ -10 L L 1 1 1 1 L L L a 0 0.05 0.1 015 02 025 03 035 04 045 0.5 S sp 1 1 1 r r 1 40} 4 20 4 L 0 0.05 01 0.15 1 L 1 L T 02 025 03 035 04 045 05 Tin hieu QAM thu trong mien tan so

Trang 35

Kết quá tính BER khi truyền dữ liệu bằng kỹ thuật OFDM và QAM

Hien thi ket qua OFDM: BER=0 % va so bít loi la =0 QAM: BER=25.9 % va so bit loi la =7 Nhận xét :

Qua kết quả mô phỏng, ta nhận thấy rõ ưu điểm nổi trội của kỹ thuat OFDM

so với kỹ thuật QAM đơn sóng mang Với cùng một chất lượng kênh truyền như nhau thì OFDM cho tỷ lệ BER thấp hơn nhiều so với QAM Cu thé, trong kết qua hiển thị trên, tỷ lệ BER = 0 tương ứng với OFDM và tỷ lệ BER = 25.9% tương ứng với QAM

2.13 Kết luận chương

Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của một hệ thống

OFDM : mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, một

Trang 36

CHƯƠNG 3 LY THUYET VE KENH TRUYEN

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của

kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ

bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến

3.2 Đặc tính chung cúa kênh truyền tín hiệu OFDM

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như : nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment)

và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc

tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành

rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh

Trang 37

Hình 3.1: Minh họa phân tập đa đường

Tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản

xạ khác nhau Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được từ các tuyến truyền dẫn khác nhau đó Mỗi tuyến truyền dẫn như vậy sẽ có tần số khác nhau Ta có thể

dé dang nhan thay rang tín hiệu thu được ở mỗi tấn số khác nhau là khác nhau cho dù ở máy phát phát đi hai tín hiệu cùng biên độ Hiện tượng này chính là hiện tượng fading ớ miền tần số Kênh truyền phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Thực chất

của hiện tượng phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị tần số của tín hiệu phát

3.4 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian (time_invariant channel impulse)

3.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian:

Trang 38

3.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh (channel impulse response) Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac ổứ) (Dirac impulse)

*Định nghĩa cua xung Dirac:

Xung 6(t)dugc định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau: œ,f£=(0

20) = tâm 2.1)

va fawar =1 (2.2)

Với định nghĩa của xung Dirac, dap ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian

về mặt toán học được biểu điễn như sau:

Np

h()=Ða,ổŒ-—r,) (2.3)

k=l

Trong đó:

+k chỉ số của tuyến truyền dẫn

+h(r) đáp ứng xung của kênh +z _ biến trễ truyền dẫn

+z, trễ truyền dẫn tương ứng với tuyến k +a, hệ số suy hao

Trang 39

3.5 Ham truyén đạt cúa kênh không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel transfer function)

Hàm truyền đạt của kênh là

+ Np

H(œ) = [hữŒ)e “ar = - (2.4)

oon k=l

Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần số nào

tín hiệu bị suy hao tương ứng với độ fading lớn (deep fading), hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading ở miền tần số Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng băng tần tín hiệu 3.6 Bề rộng độ ốn định về tần số cúa kénh (coherence bandwidth of the channel) Bè rộng độ ổn định về tần số của kênh được định nghĩa như sau: (Df) 6 = 1 Tins (2.5)

Ở phương trình trén (Af), 1a bé réng độ ổn định tần số của kênh còn r,,,, 1

trễ truyền dẫn hiệu dụng của kênh Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so

với bề rộng độ ồn định tần số của kênh mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc

tần số hay không

Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ thống:

(A/)c>>B (2.6)

thì kênh được định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số (non-frequency selective channel) Trong trường hợp ngược lại:

(A/),<<B (2.7)

Trang 40

3.7 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyên động tương đối giữa máy phát và

máy thu Cụ thê là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Bản chất của hiện tượng này là phô của

tần số bị xê dịch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến SỰ đồng bộ của nhiều hệ thống Đặc biệt trong

OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng Hiệu ứng Doppler còn gây ra

sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến (time-variant channel) sẽ được giới thiệu ở mục sau

Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyên động của máy thu là „, khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là :

fo, =~ fo 00x) (2.8)

Trong đó:

+f,: tan sé song mang ctia hệ thống

+v : van téc chuyên động tương đối của máy thu so với máy phát +c : vận tốc ánh sáng

Nếu ø„ =0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:

Vv

Sosnx =~ So Cc (2.9)

3.8 Kênh phụ thuộc thời gian

Sự dịch chuyền tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler

và hiện tượng phụ thuộc vào thời gian của kênh Sự phụ thuộc vào thời gian của đáp

ứng xung của kênh vô tuyến được biểu diễn ở phương trình dưới đây:

Np sat, +

A(t,t) = Drage’ 5(e = T(t) (2.10)

k=l