nghiên cứu về ofdm và vấn đề đồng bộ trong hệ thống ofdm và mô phỏng hệ thống ofdm

Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR

Trang 1

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM……… 1

1.1 Giới thiệu chương: ……………… 1

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM: ……… 1

1.3 Đơn sóng mang: ……………… 6

1.4 Đa sóng mang: ……………… 6

1.5 Sự trực giao: ………………8

1.5.1 Trực giao miền tần số: ……………… 9

1.5.2 Mô tả toán học OFDM: ……………… 10

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM: ……………….15

1.6.1 Điều chế BPSK: ……………… 16

1.6.2 Điều chế QPSK: ……………… 17

1.6.3 Điều chế QAM: ……………… 19

1.6.4 Mã Gray: 20

1.7 Các đặc tính của OFDM: ……………… 23

1.7.1 Ưu điểm: ……………… ….23

1.7.2 Nhược điểm: ……… 23

1.8 Kết luận chương: ………24

Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYÊN 25

2.1 Giới thiệu chương: 25

2.2 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM: 25

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation): 25

2.2.2 Hiệu ứng đa đường: 26

Trang 2

2.2.3 Dịch Doppler: 29

2.2.4 Nhiễu AWGN: 30

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI: 31

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI: 31

2.2.7 Tiền tố lặp CP: 32

2.3 Khoảng bảo vệ: 34

2.4 Giới hạn băng thông của OFDM: 36

2.4.1 Lọc băng thông: 37

2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR: 38

2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM: 39

2.5 Kết luận chương: 39

Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THÔNG OFDM… ……… …… 40

3.1 Giới thiệu chương:……… ….40

3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM:……… …40

3.2.1 Nhận biết khung:……… 41

3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số:……… .43

3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân:……… 43

3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên:……… 45

3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư:……… 46

3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM:……… 48

3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot:……….49

3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP:……… 50

3.3.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC):……… 51

3.3.3.1 Nhận biết FSC:……… .52

3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1:……… 53

3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2:……… 54

3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM:……….55

Trang 3

3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu:……… 55

3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang:………56

3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot: 56

3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP:……… 56

3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu:……… 57

3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM:……… 58

3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian:………59

3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số:……….60

3.6 Kết luận chương:……… 61

Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM…… 62

4.1 Giới thiệu chương:……… 62

4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink: ………… 62

4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình: ………65

4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền: 65

4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM: 66

4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM: 67

4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER: 69

4.4 Kết quả chương trình mô phỏng: 69

4.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM: 69

4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh: 71

4.5 Kết luân chương: 71

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……… ……… ….72

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….…………73

PHỤ LỤC……… ….74

Trang 4

BPSK Binary Phase Shift Keying

DFT Discrete Fourier Transform

DPLL Digital Phase Look Loop

DS-CDMA Direct Sequence CDMA

F

FIR Finite Impulse Response (digital filter)

Trang 5

Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn

G

I

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers

IFFT Inverse FFT

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Trang 6

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn

Chương1 :

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây

1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế

đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,

ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Trang 7

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên

Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có

Tần số

Tiết kiệm băng thông

(b)

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

Ch.1

Ch.10

Trang 8

khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng

bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

y f (n y(n)

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo

Trang 9

Serial to Parallel convertor

Trang 10

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin

là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên

độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN

có tốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên

nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM [2]

Trang 11

1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền

đi chỉ trên một sóng mang

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9]

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi

truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu

Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức

tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng

thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có

ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ

liệu có ích

Hình 1 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9]

Trang 12

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi

sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]:

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

)) ( ( 2 1

0

1 )

l

N-k l,k e s a

N t

=

∑ ∑

=

Trong đó, a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k

trong symbol OFDM thứ l

1

1 =Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period)

là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau

Trang 13

trùng lặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn

1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dựliệu trước giữa các sóng mang khác nhau Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được

định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên,

có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero

Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao

Trang 14

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên

hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc

1.5.1 Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc

(sin (x)/x) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng

mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản

Trang 15

chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

1.5.2 Mô tả toán học của OFDM

Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuNn (Orthogonal basis)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu được thể hiện bởi công thức:

=

Φ +

0

) (

).

(

1 )

n

t t j c

N t

0

0.

1 )

n

n kT n j

n

N kT

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu Ta có mối quan hệ:

τ = N T Khi ω0 = 0 thì ta có:

=

Δ Φ

0

) (

.

1 )

n

kT n j j n

N kT

1)

n

N nk j

e NT

n G N kT

Trang 16

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:

τ

1

=Δ

NT f

Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao Do đó kết quả của việc bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:

)exp(

)(t j k t

/ ) ( 2

=

−

τπ

τ π

q p j

dt

e j p b

khi p =q và (b-a) = τ (1.6) ( p,q là hai số nguyên)

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/τ, đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn τ

N ếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không có can nhiễu N hững tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ Dải tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau

Trang 17

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng T cp Lúc này tín hiệu được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:

k

k t x

t

Ở đây Ф k (t)tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao

t kf j k

w f

T T

) , 0 [

1 )

(

) (

2 1

T t

e T T t

CP

T t kf j CP k

x t

Trang 18

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) N guyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo thành góc 90o) và tích của hai vector là bằng 0 Điểm chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0

Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0

Hàm số thông thường có giá trị bằng 0

Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:

∫π ω =

k 2 0

0dt)tsin(

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0

N ếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau, kết quả cũng sẽ bằng 0

Trang 19

Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau

Điều này gọi là tính trực giao của sóng sine N ó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 Đây là cơ sở để hiểu quá trình điều chế OFDM

Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số

Trang 20

N ếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)

N hiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao Từ phân tích trên, ta có thể rút ra kết luận:

• Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

• Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào

M và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự a n , b n có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Trang 21

1.6.1 Điều chế BPSK

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng

để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7]

])(2

cos[

2)( = πf t +θ t +θ

T

E t

b

b i

θ (t) = (i − 1 ) π ; 0 ≤ t ≤ T b;i = 1 , 2 (1.10)

Hay: cos[2 ]

2)(

T

E t

b b

]2

cos[

2)

(]

2cos[

S t

f T

E t

b

b c

b

(1.11)

Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit

E b : N ăng lượng của 1 bit

θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu

đối cực

N ếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

b c

b

T t t f T

Φ( ) 2 cos(2π );0

Khi đó, S1(t) = E b Φ(t)

S2(t) = − E b Φ(t) (1.12)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N =1) với

hai điểm bản tin (M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình sau:

Trang 22

Hình 1.15 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN ), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:

e (1.13) Trong đó,

E b : N ăng lượng bit

t T

E t

=

; 0

0 0

) ) ( 2 cos(

.

2 )

(1.14)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

4 ) 1 2 ( )

θ t = i− (1.15) Trong đó,

i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

Khai triển s(t) ta được:

Trang 23

0

;

) 0

( ) 2 sin(

4 )]

1 2 sin[(

2 ) 2 cos(

] 4 ).

1 2 cos[(

T t t

f i

T

E t

f i

T t t

πf T

t

Φ1( ) = − 2 sin( 2 c ) 0 ≤ ≤ (1.17a)

T t t

πf T

t

Φ2( ) = 2 sin( 2 c ) 0 ≤ ≤ (1.17b)

Khi đó,

] 4 ) 1 2 cos[(

) ( ] 4 ) 1 2 sin[(

) ( )

(t = φ1 t E i − π + φ2 t E i − π

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:

)4,3,2,1(4

)12cos[(

]4)12sin[(

E

i

E s

Trang 24

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ

Hình 1 16 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào − E, còn logic '0' thì biến đổi vào

E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.[7]

1.6.3 Điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên

độ lẫn pha Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.[7]

Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như

sau:

1( ) 2 0 cos(2 ) 2 0 b sin(2 f t);(0 t T)

T

E t

f a

T

E t

Trang 25

Trong đó,

E 0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

a i , b i : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc"

Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:[7]

T t t

πf b

T t

Φ1( ) = − 2 isin(2 c. ) 0 ≤ ≤

T t

tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn

Trang 26

Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM )

8-Bảng Mã Gray

Hình 1.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp

chỉ thay đổi một bit đơn

Trang 27

Hình 1.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM

Trang 28

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

N goài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế

1.7.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM N ếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ

Trang 29

gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM

1.8 Kết luận

N ội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy giảm biên

độ, có thể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất…Chương sau sẽ đề cập đến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM

Trang 30

Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến www.4tech.com.vn

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến

bị thay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu

Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến

Trang 31

2.2.2 Hiệu ứng đa đường

• Rayleigh fading

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra

Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy

ra do fading

Đường phản xạ

Đường đi thẳng

Phát

Thu

Hình 2.2 Tín hiệu đa đường

Trang 32

Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh

• Fading lựa chọn tần số

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do

có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín

Mức tín hiệu (dB)

Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)

10 99

0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05

Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh

Trang 33

hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :

- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao

- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC

• Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA

Tín hiệu trực tiếp

Tín hiệu trễ

Tín hiệu thu được

Hình 2.4: Trải trể đa đường

Trang 34

Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time)

Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự

có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps

Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:

• Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM)

• Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA

2.2.3 Dịch Doppler

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức:

c f

f ≈± oν

Δ (2.1)

Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu

Trang 35

Trong đó Δf là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu

νlà tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

f olà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng

Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp

2.2.4 Nhiễu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

(inter-Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

Trang 36

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký

tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) như ở hình 2.5

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong

hệ thống OFDM

Trang 37

2.2.7 Tiền tố lặp CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ

và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát

đi một ký tự)

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Trang 38

−

=+

=

1,,

1,0)

(

1,,

1,)

()(

N n

n x

n N n x n

(2.3)

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy

nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các

Trang 39

xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM

Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền

2.3 Khoảng bảo vệ

Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM

Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval

Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread) Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần Để loại bỏ ISI một

Trang 40

cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận Khoảng thời gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực giao nữa

Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm

tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.

Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số

ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc

độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền lan nhiều đường

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,34 MB