Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- PHẠM XUÂN CẢNHNGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDMLUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬTNGÀNH KĨ THUẬT VIỄ
Ổ T NG QUAN V Ề OFDM
Gi i thi u chung 1 ớ ệ 1.2 Cơ sở ỹ k thu t OFDM 2 ậ 1.2.1 Phương pháp điề u ch ế đơn sóng mang
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng các sóng mang con chồng chéo lên nhau Trong OFDM, luồng bit tốc độ cao được chia thành nhiều luồng con với tốc độ thấp hơn và truyền trên các kênh song song (kênh con) Mỗi kênh con được mang bởi một sóng mang ở tần số con, cho phép các sóng mang con này giao thoa mà không gây nhiễu lẫn nhau Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng truyền tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, và khả năng chống fading mạnh mẽ Ngoài ra, OFDM còn cho phép điều chế và giải điều chế tín hiệu đơn giản nhờ vào việc sử dụng các thuật toán như IFFT và FFT.
Điều chế đa sóng mang trực giao không phải là một khái niệm mới, thực tế nó đã xuất hiện từ cuối những năm 1950 khi được áp dụng trong quân đội Tuy nhiên, vào thời điểm đó, nó chưa thành công do độ ổn định phức tạp của các thiết bị sử dụng Đến năm 1971, Weinstein và Ebert đã giải quyết vấn đề này bằng cách thực hiện một hệ thống đa sóng mang sử dụng thuật toán IDFT/DFT Kể từ đó, nguyên lý của điều chế đa sóng mang đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều chuẩn truyền thông, nhằm đáp ứng yêu cầu cao của thời đại thông tin băng rộng, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến.
Trong những năm gần đây, OFDM được đặc bi t quan tâm và ứệ ng d ng trong ụ nhi u các chu n truy n thông khác nhau Các ng d ng c ề ẩ ề ứ ụ ụthể ủ c a OFDM:
DMT (Discrete MultiTone) là công nghệ được phát triển để tối ưu hóa băng thông cho các đường dây thuê bao tốc độ cao như HDSL, ADSL và VDSL Công nghệ này giúp cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu qua các đường dây thuê bao, mang lại tốc độ kết nối ổn định và hiệu quả hơn cho người dùng.
+ OFDM đã được khai thác trong các tiêu chu n phát thanh/truy n hình s ẩ ề ố
Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được nghiên cứu và áp dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4, mang lại hiệu suất cao cho việc truyền tải dữ liệu Nó cũng hỗ trợ cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng cố định và di động, bao gồm cả công nghệ vô tuyến băng cực rộng (ultrawideband radio) và hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Hơn nữa, OFDM có khả năng kết hợp với các kỹ thuật điều chế khác như MC-CDMA, mở rộng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông.
1.2.1 Phương pháp điều ch ế đơn sóng mang
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B với tần số sóng mang f0 Hình 1.1 minh họa phổ tín hiệu của hệ thống đơn sóng mang Tần số lây m của hệ thống được xác định bằng độ rộng băng tần và tín hiệu có độ dài sóng nhất định.
Trong các hệ thống vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường có băng thông lớn hơn băng thông kết hợp của kênh Khi đó, kênh vô tuyến trở thành kênh phụ thuộc vào tần số Tốc độ truyền tải thông tin qua băng rộng rất lớn, dẫn đến chu kỳ lấy mẫu cần thiết trở nên ngắn Vì vậy, phương pháp điều chế đơn sóng mang gặp phải một số nhược điểm nhất định.
Ảnh hưởng của nhiễu liên ký hiệu (ISI) có thể gây ra hiện tượng truyền dẫn bị giảm sút ở nhiều đường truyền khác nhau, ảnh hưởng đến tín hiệu thu nhận Nguyên nhân chủ yếu là do độ dài của mạch tín hiệu và độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Do đó, sự ảnh hưởng của nhiễu liên ký hiệu ISI có thể làm giảm chất lượng tín hiệu thu nhận.
Ảnh hưởng của sóng truyền phụ thuộc vào tần số của kênh, và điều này có tác động lớn đến chất lượng của hệ thống Đối với các hệ thống vô tuyến băng rộng, độ rộng phổ tín hiệu truyền qua kênh lớn hơn rất nhiều so với băng thông kết hợp của kênh Khi đó, hiện tượng fading và lọc tần số trên kênh truyền số có thể tác động mạnh mẽ đến chất lượng tín hiệu Để khắc phục những nhược điểm này, cần phải cân bằng kênh và thiết kế nhiều máy thu phức tạp hơn.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay chủ yếu được sử dụng trong thông tin băng hẹp, như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Tuy nhiên, với yêu cầu cao của hệ thống vô tuyến băng rộng, phương pháp này không còn phù hợp, dẫn đến sự phát triển của phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM).
1.2.2 Phương pháp điều ch ế đa sóng mang
Hình 1.2 Phổ tín hiệu đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM) chia toàn bộ băng tần của hệ thống thành nhiều băng con, mỗi băng con sử dụng một sóng mang con khác nhau Nguyên lý hoạt động của phương pháp này được thể hiện trong hình 1.2.
Trong phương pháp điều ch ế đa sóng mang, ph c a tín hi u c a h ổ ủ ệ ủ ệthống chia thành N kênh song song hay còn g i là kênh con (ọ N=2L+1 ) Vì vậy, độ dài của
4 m u tín hiẫ ệu trong điều ch ế đa sóng mang sẽ ớn hơn l N l n so vầ ới độ dài m u tín ẫ hiệu trong điều ch ế đơn sóng mang:
Điều chế đa sóng mang giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu liên ký hiệu, từ đó cải thiện chất lượng truyền tải dữ liệu So với các phương pháp điều chế sóng mang khác, điều chế đa sóng mang mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng chịu đựng tốt hơn trước nhiễu và tăng cường độ tin cậy trong việc truyền tải thông tin Những lợi ích này làm cho điều chế đa sóng mang trở thành lựa chọn ưu việt trong các hệ thống truyền thông hiện đại.
- Ảnh hưởng c a nhi u liên ký ủ ễ hiệu ISI đến chất lượng h ệthống gi m ả đáng kể
Do tỷ số giữa truyền dẫn và nhiễu ảnh hưởng đến độ dài mẫu tín hiệu, khi nhiễu liên ký hiệu ISI gia tăng, sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu Điều này dẫn đến việc tìm kiếm các mẫu tín hiệu trở nên khó khăn hơn.
N l n nhi u ISI gây ra b i m t m u tín hi u ch đủ ớ ễ ở ộ ẫ ệ ỉ ảnh hưởng t i m t tín hi u liớ ộ ệ ền sau nó
Giảm thiểu ảnh hưởng của fading trên kênh truyền là rất quan trọng để duy trì chất lượng hệ thống, đặc biệt khi băng thông của hệ thống được chia thành nhiều kênh con Nếu số kênh con đủ lớn, tín hiệu truyền trên các kênh con sẽ ổn định hơn so với băng thông liên kết của kênh chính Khi đó, hiện tượng fading trên kênh truyền sẽ trở thành fading phân tán.
Hai ưu điểm trên giúp cho vi c thi t k b cân b ng kênh và l c nhi u cho h ệ ế ế ộ ằ ọ ễ ệ thống ở bên thu đơn giản hơn
Tuy nhiên phương pháp điều ch ế đa sóng mang còn m t s ộ ố nhược điểm cơ bản sau:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh là một yếu tố quan trọng Nguyên nhân chủ yếu là do độ dài của mẫu tín hiệu tăng lên, dẫn đến sự biến đổi theo thời gian của kênh vô tuyến Điều này có thể xảy ra trong quá trình truyền tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác của thông tin được truyền tải.
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn sóng mang Ngược lại, việc sử dụng đa sóng mang sẽ tạo ra sự cạnh tranh về băng tần giữa các kênh con, ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống.
Nguyên lý OFDM
Kỹ thuật OFDM nâng cao hiệu quả sử dụng tần số bằng cách cho phép các phổ tín hiệu của các kênh con chồng lấn lên nhau, trong khi vẫn đảm bảo việc giải điều chế chính xác tại bên thu Để đạt được điều này, các sóng mang con trong các kênh con cần phải đảm bảo tính trực giao.
1.3.1 S ựtrực giao c a các sóng mang con ủ
Xét một t p h p tín hi u ậ ợ ệ S gồm N ph n tầ ử:
S = S t = Điều kiện để các tín hiệu trong t p ậ Strực giao đôi mộ ới nhau: t v
Trong đó S t q * ( ) là liên h p ph c cợ ứ ủa ( )S t q , kho ng th i gian t ả ờ ừ t 1 tới t 2 là chu
Tính chất của tín hiệu trước giao, nếu thực hiện truyền tín hiệu trên các sóng mang con, bên thu cần tách tín hiệu sóng mang con nào liên hợp với sóng mang con đó Điều này cho phép phân tín hiệu trên các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn này giúp tăng cường độ ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống một cách đáng kể.
Trong k ỹthuật OFDM, t p sóng mang con trậ N ực giao được bi u diể ễn dưới d ng phạ ức e jp t s p = 1,2, , N , trong đó p là chỉ ố ủ s c a sóng mang con, s 2 s 2 s f T
= = là kho ng cách t n s gi a hai sóng mang con liên ti p Tính tr c giao c a t p sóng ả ầ ố ữ ế ự ủ ậ mang con này được ki m chể ứng như sau:
( 1) s s ( s ) * ( 1) s ( ) s s s k T k T jp t jq t j p q t kT kT e e dt e dt
Trong giao thức OFDM, tích phân của một sóng mang con với các sóng mang con khác có thể bằng 0, trong khi tích phân của sóng mang con với chính nó cho kết quả là một hằng số Nguyên tắc này là cơ sở để thực hiện giải điều chế OFDM.
1.3.2 Nguyên lý điều ch và giế ải điều ch ế
Nguyên lý cơ bản của OFDM là phân chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn Các luồng dữ liệu này được truyền đồng thời trên các kênh con, mỗi kênh con sử dụng một sóng mang riêng biệt Các sóng mang này có thể chồng chéo lên nhau mà không gây ra nhiễu.
Giả thi toàn bế ộ băng tần cB ủa hệ thống được chia thành các kênh con vN, với số lượng các kênh con là Dữ liệu truyền trên các kênh con là ố ủ n ữliệ ề d n Tần số sóng mang ậ ợ con tr c giao ự thỏa mãn công thức (1.4) với d ng ứ ạ 0,1,2, 1 j t n n N e = −, trong đó.
= + là t n s c a sóng mang con th , ầ ố ủ ứn ω s là kho ng cách t n s gi a hai ả ầ ố ữ sóng mang con liên ti p ế Khi đó tín hiệu OFDM trong chu k ỳthứ đượ k c bi u di n ể ễ
Trong đó, d k,n là d u truy n trên kênh con ữliệ ề n trong chu k tín hi u OFDM ỳ ệ thứ k
Trong nghiên cứu tín hiệu OFDM, chúng ta xem xét băng tần gốc bằng cách chọn giá trị ω₀ = 0 Khi đó, tín hiệu OFDM trong chu kỳ thứ k có thể được biểu diễn một cách đơn giản.
Tín hiệu OFDM t ng quát s là chu i nhiềổ ẽ ỗ u ký hi u OFDM n i ti p nhau: ệ ố ế
= = (1.7) c a gi u ch bên thu là t
Nhiệm vụ ủ ải điề ế trong tín hiệu OFDM là tách dữ liệu trên từng kênh con Để thực hiện điều này, cần nhân với sóng mang con phù hợp Nếu muốn tách dữ liệu trên kênh con thứ n, ta sẽ nhân với sóng mang con tương ứng của kênh con đó.
, 0 ˆ ( ).e e e e e s s s s s s s s s s s k T k T N jm t jn t jm t k m k k n kT kT n k T
N jn t jm t k n n kT d S t dt d dt d dt
Trong đó Ts là chu k c a m t ký hi u OFDM ỳ ủ ộ ệ công th ta có:
= = (1.9) y, b ng vi c s d ng các sóng mang con tr c giao, d u trên các
Như vậ ằ ệ ử ụ ự ữ liệ kênh con hoàn toàn có th ểtách ra một cách độc lậ ởp bên phía máy thu
1.3.3 Điều ch OFDM s d ng thu t toán IFFT ế ử ụ ậ
D ng t ng quát tín hiạ ổ ệu OFDM tương tự trong chu k ỳthứ k được th ểhiện như
9 trong công thức (1.6) được viế ại như sau: t l
= (1.10) chuy i tín hi u OFDM sang d ng tín hi u s , th c hi n l y m u tín Để ển đổ ệ ạ ệ ố ự ệ ấ ẫ hi u v i chu k l y m u: ệ ớ ỳ ấ ẫ
= = = (1.11) là toàn b r n c a h ng, là s kênh con,
Bộ độ rộng băng tần OFDM là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con, trong đó T_s là chu kỳ của ký hiệu OFDM Tại thời điểm l_y, m_u_t được xác định bởi công thức kT_s + l_t a m_u tín hiệu OFDM.
( ) N jn s kT lt s a N jn kT s s jn lt s a k s a k n k n n n
2 2 s 1 s s s s a s s jn f k jn kT f jn k l nl jn f j jn lt Nf N e e e e e e
Như vậ ể ứ được viế ại:
Phép biến đổi IDFT tương đồng với phép biến đổi DFT, cho phép bộ điều chế OFDM thực hiện một cách dễ dàng thông qua IDFT Tương tự, bộ giải điều chế OFDM bên thu có thể sử dụng thuật toán DFT để thực hiện quá trình này Trong trường hợp băng tần là băng thông 2, phép biến đổi IDFT/DFT được thay thế bằng thuật toán IFFT/FFT, mang lại hiệu suất tính toán nhanh hơn.
Trong kỹ thuật OFDM, hiện tượng ISI (Inter-Symbol Interference) gia tăng do chu kỳ lặp lại của các ký hiệu Mặc dù vậy, tác động của ISI vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn Để giải quyết vấn đề này, cần thực hiện thêm vào mỗi ký hiệu OFDM một khoảng thời gian trống nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của ISI.
Khoảng bảo vệ (Guard Interval) là khoảng thời gian không có tín hiệu, được chọn sao cho lớn hơn độ trễ tối đa của kênh truyền Việc chèn khoảng bảo vệ giúp giảm thiểu hiện tượng Inter-Symbol Interference (ISI) nhưng không tránh được Inter-Carrier Interference (ICI) do ảnh hưởng của fading Để loại bỏ ISI mà không làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con, khoảng bảo vệ được chọn là một tín hiệu đặc biệt Trong kỹ thuật OFDM, phương pháp này được gọi là chèn tiền tố vòng (Cycle Prefix - CP) Tiền tố CP được tạo ra bằng cách sao chép đoạn tín hiệu cuối trong mỗi symbol OFDM và chèn vào đầu mỗi symbol tiếp theo, giúp đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con trong một chu kỳ tín hiệu.
Hình 1.6 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol
Here is a rewritten paragraph that complies with SEO rules:"Trong quá trình sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phía sau của symbol tiếp theo, khoảng thời gian của ký hiệu số không thay đổi Quá trình chèn tiềm ấp CP được miêu tả như hình 1.6 Khi đó, khoảng thời gian của ký hiệu số là thời gian của IFFT."
Trong hệ thống OFDM, thời gian của chu kỳ sóng mang chính (T_G) và thời gian biến đổi IFFT (T_IFFT) cần được quản lý chặt chẽ Yêu cầu đối với ký hiệu OFDM là biên độ và pha của các sóng mang con phải ổn định trong khoảng thời gian ký tự, nhằm duy trì trạng thái trước giao Nếu tín hiệu không ổn định, pha của sóng mang con sẽ không có dạng hình sin liên tục, dẫn đến việc ẩn xác tín hiệu Tại biên cận của mỗi symbol, giá trị biên độ và pha có thể thay đổi đột ngột theo giá trị mới của symbol tiếp theo Chiều dài của những thay đổi này ảnh hưởng đáng kể đến vị trí và chất lượng tín hiệu.
Kênh truyền vô tuyến có những tín hiệu đột biến, ảnh hưởng đến kết quả của mỗi thành phần đa đường đến máy thu tại các thời điểm khác nhau Việc thêm ký
Phương pháp này có nhược điểm là làm giảm hiệu suất sử dụng kênh truyền, do độ trễ trong khoảng thời gian bảo vệ Chuỗi bảo vệ truyền trên kênh không cung cấp thông tin hữu ích Hiệu suất được đánh giá bởi hệ số S.
C u trúc t ng quát c a h ấ ổ ủ ệthống OFDM được trình bày như ở hình 1.7 Điều chế ở băng tần cơ sở
Chèn mẫu tin dẫn đường IFFT Chèn chuỗi bảo vệ
Biến đổi số/tương tự
Biến đổi tương tự/số
Giải điều chế ở FFT băng tần cơ sở
Tách mẫu tin dẫn đường
Đồ ng b trong OFDM 12 ộ 1 Đồ ng b ký t 12 ộự 2 Đồ ng b t n s sóng mang 14 ộ ầố 3 Đồ ng b t n s l y m u 15 ộ ầố ấẫ 1.6 Ưu, nhược điể m c a h th ng OFDM 16 ủệ ố 1.6.1 Ưu điểm
Tính đồng bộ đóng vai trò quyết định trong việc khắc phục các nhược điểm của OFDM, do đó, đây là một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ OFDM Nếu tính đồng bộ không được đảm bảo, sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính chính xác trong giao thoa giữa các sóng mang, làm giảm hiệu quả của hệ thống OFDM Trong hệ thống này, có ba loại đồng bộ khác nhau cần được xem xét.
- Đồng b t n s sóng mang (carrier frequency synchronization); ộ ầ ố
1.5.1 Đồng bộký tự Đồng b ký t là viộ ự ệc xác định chính xác điểm bắ ầt đ u c a m t ký t OFDM ủ ộ ự
Xác định thời điểm thực hiện đồng bộ được thực hiện bằng cách sử dụng tín hiệu lập (CP), đánh dấu các điểm khởi đầu cho một ký tự Hai vấn đề quan trọng cần quan tâm khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise).
Hiện tượng lệch thời gian gây ra sai lệch trong việc bắt đầu một ký tự OFDM Nếu độ lệch thời gian nhỏ đủ để đáp ứng xung của kênh và vẫn nằm trong khoảng giới hạn của tín hiệu lặp (CP), thì hệ thống vẫn đảm bảo sự giao thoa giữa các sóng mang Trong trường hợp này, độ trễ của một ký tự được coi như độ dịch pha của kênh truyền, và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Ngược lại, nếu chiều dài của CP ngắn hơn độ lệch thời gian, hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian: đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ dựa vào tín hiệu lặp.
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định của pha sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động Hiện tượng này được coi như một quá trình Wiener Để khắc phục nhiễu pha sóng mang, người ta sử dụng phương pháp bám pha sóng mang.
Phương pháp bám pha là một kỹ thuật đơn giản giúp cải thiện chất lượng truyền dữ liệu trong mạng không dây Theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a và HiperLAN/2, các sóng mang con được xác định trước trong quá trình truyền dữ liệu Những sóng mang con này, được gọi là sóng mang dẫn đường, có nhiệm vụ chính là hỗ trợ máy thu bám được pha sóng mang Sau khi thực hiện biến đổi Fourier, các sóng mang dẫn đường Rn,k sẽ được cân bằng với tích của đáp ứng tần số kênh Hk và ký hiệu dẫn đường Pn,k.
Giả ử ước lượ s ng Hˆ k của đáp ứng t n s ầ ố kênh đã biết, suy ra giá tr pha gị ần đúng là:
N u gi s rế ả ử ằng quá trình đánh giá kênh là hoàn toàn chính xác, ta có:
Trong trường hợp này, chúng ta không cần chú ý đến khoảng [-π, π) vì dữ liệu dẫn đường đã được xác định rõ, do đó, sự sai lệch sẽ được tự động điều chỉnh và sửa lỗi.
1.5.2 Đồng bộ ầ t n số sóng mang Đồng bộ tần số sóng mang là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, các chỉ tiêu chất lượng cũng như các ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống bị giảm đi đáng kể Tác động tiêu cực của sự mất đồng bộ đó là sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu tại máy thu không nằm đúng vào đỉnh của xung sin mô tả như hình 1.8) và nhiễu kênh lân cận ICI
Hình 1.8 Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang.
Trong đồng b t n s sóng mang, hai vộ ầ ố ấn đề chính được quan tâm đến là l i ỗ t n s và th c hiầ ố ự ện ước lượng t n s ầ ố
Các tín hiệu được lấy mẫu liên tục từ đồng hồ phát và đồng hồ thu Sự không đồng nhất giữa hai đồng hồ này gây ra kênh truyền không tuyến tính và tạo ra nhiễu.
Hai ảnh hưởng chính do lỗi tần số gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu thu được và nhiễu xuyên kênh ICI Suy giảm biên độ xảy ra khi tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin, trong khi nhiễu ICI xuất hiện do các sóng mang mất tính trực giao Sự suy giảm tỉ số tín trên tạp âm D(dB) đã được đánh giá và phân tích thông qua một biểu thức cụ thể.
Độ lệch tần số (ΔF), số sóng mang con (N) và độ rộng băng tần (W) là các yếu tố quan trọng trong hệ thống Để đảm bảo chất lượng hệ thống, độ bất ổn định trong đồng bộ tần số sóng mang cần phải duy trì dưới 2%.
Kỹ thuật đồng bộ tần số sử dụng tín hiệu dẫn đường để ước lượng khoảng cách tần số mang Trong kỹ thuật này, một số sóng mang được sử dụng để truyền tải tín hiệu dữ liệu dẫn đường, thường là các chuỗi dữ liệu lớn Việc sử dụng các ký tự đã biết trước về pha và biên độ giúp ước lượng độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, các vòng khóa pha được sử dụng.
Một vấn đề cần được quan tâm là mối quan hệ giữa đồng bậc ký tần số và đồng bậc tần số sóng mang Trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của mất mát đồng bậc
Tín hiệu giữa bên phát và bên thu được đồng bộ hóa theo thời gian thực dựa vào đồng hồ ở cả hai bên Tuy nhiên, sự xuất hiện của độ trễ giữa đồng hồ bên thu và bên phát có thể gây ra vấn đề Để khắc phục sự bất đồng bộ này, một số phương pháp đã được đề xuất Phương pháp đầu tiên là sử dụng bộ dao động điều kiện để cải thiện độ chính xác trong việc đồng bộ hóa tín hiệu.
Phương pháp thứ hai trong hệ thống điện áp là lắp đặt mẫu không đồng bộ Trong phương pháp này, các tín hiệu và mẫu được giữ nguyên, nhưng tín hiệu sẽ được xử lý sau khi lắp đặt mẫu để đảm bảo sự ổn định.
1.6 Ưu nhược điểm củ, a h ệthống OFDM
D a vào nh ng ki n th c t ng quan v Oự ữ ế ứ ổ ề FDMđã được trình bày, có th ể đánh giá một số ưu điểm, nhược điểm cơ bản của OFDM như sau:
Các ưu điểm cơ bản c a k thu t OFDM: ủ ỹ ậ
- OFDM tăng hiệu qu s d ng t n s do ph tín hi u trên các kênh con có th ả ử ụ ầ ố ổ ệ ể chồng l n lên nhau ấ
Hệ thống OFDM có khả năng chịu đựng fading tốt hơn so với hệ thống đơn sóng mang, nhờ vào phương pháp chia kênh thông tin thành nhiều kênh con có fading phẳng và băng hẹp.
- H ệthống OFDM có th ểloại tr hoàn toàn ISI nừ ếu như độ dài c a chu i bủ ỗ ảo v lệ ớn hơn trễ truy n d n l n nhề ẫ ớ ất của kênh
Độ ệ l ch t n s 18 ầ ố 2.2 Hi u ng Doppler 18 ệ ứ 2.3 Ảnh hưở ng c ủa dị ch t n Doppler t i h ầớ ệ thố ng OFDM
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, các yếu tố tác động khác nhau làm cho tần số sóng điện từ bên thu bị thay đổi so với bên phát Sự chênh lệch tần số giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát được gọi là độ lệch tần số Độ lệch này có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và khả năng truyền tải thông tin.
Giả ử ự ệ ệ s n , khi đó tín hiệu thông dải tương ứng có dạng:
2 TX S j f nT n n y = s e (2.1) c ph i máy thu là:
Tín hiệu băng gố ức thu được tạ
= s e n j 2 ( f TX − f RX ) nT S = s e n j 2 fnT S (2.2) Ở đây f TX là t n s sóng mang máy phát, ầ ố f RX là t n s sóng mang máy thu, ầ ố
TS là chu kỳ hiển thị, với độ lệch tần số Δ = f_TX − f_RX thể hiện độ lệch tần số Độ lệch tần số này gây ảnh hưởng đến các hệ thống OFDM, làm giảm tính chính xác Độ lệch tần số càng lớn thì ảnh hưởng của nhiễu ICI đối với hiệu suất hệ thống OFDM càng nghiêm trọng.
Các nguyên nhân gây ra lỗi trong hệ thống OFDM bao gồm hiệu ứng dịch tần, jitter từ máy phát và máy thu, nhiễu pha do bức xạ cao tần, và hiệu ứng Doppler Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu hiệu ứng Doppler, một hiện tượng phổ biến và gây ra độ dịch tần lớn đối với các hệ thống OFDM.
Hiệ ứu ng Doppler là hiện tượng t n s ầ ố sóng điệ ừ thu đượ ạn t c t i máy thu b ị
Khi máy phát tín hiệu và máy thu có sự chuyển động tương đối, hiện tượng tán xạ tín hiệu xảy ra, dẫn đến tín hiệu thu tại máy thu không đồng bộ với tín hiệu phát ra từ máy phát Sự chuyển động này ảnh hưởng đến chất lượng và tính chính xác của tín hiệu thu.
Khi máy phát và máy thu di chuyển gần nhau, tín hiệu nhận được sẽ mạnh hơn so với khi chúng ở xa nhau, dẫn đến việc tín hiệu thu được giảm sút Hiệu ứng Doppler được minh họa trong hình 2.1.
Hiệu ứng Doppler xảy ra khi máy thu di chuyển từ điểm X đến Y với vận tốc v và khoảng cách d Khi nguồn phát S đủ xa so với d, góc giữa phương sóng và phương di chuyển là θ, thời gian di chuyển h sẽ phụ thuộc vào khoảng cách d và được biểu diễn qua ∆t Khi nguồn phát ở xa, có thể coi góc tới của sóng là không đổi.
Khi đó sự thay đổ ềi v pha giữa 2 điểm A và B là:
= = (2.3) Độ lệch dịch tần số là:
Trong bài viết này, f c, c lần lượt đại diện cho tần số sóng mang, bước sóng sóng mang và vận tốc ánh sáng Độ dịch tần số Doppler có thể có giá trị âm hoặc dương, phụ thuộc vào góc θ, tức là góc giữa hướng di chuyển của máy thu và tín hiệu nhận được Giá trị cực đại của độ dịch tần số Doppler là f m khi góc θ = 0°, trong trường hợp sóng tới từ phía trước máy thu, và giá trị cực tiểu là −f m khi góc θ = 180°, khi sóng tới từ phía sau máy thu.
Hình 2.2 Phổ tần Doppler 2.3 Ảnh hưởng của d ch t n Doppler t i h ị ầ ớ ệthống OFDM
M t trong nhộ ững nhược điểm chính c a các h ủ ệthống OFDM là r t nh y c m ấ ạ ả với sựsai khác nhỏ ề ầ v t n s gi a máy phát và máy thu hay còn gố ữ ọi là độ ệch tầ l n s ố
21 sóng mang (CFO Carrier Frequency Offset) L ch t n s sóng mang gây ra nhi– ệ ầ ố ều ảnh hưởng đến hoạ ột đ ng c a h th ng: ủ ệ ố
Tác động của hiệu ứng Doppler làm giảm biên độ tín hiệu ở đầu ra của băng tần sóng mang Khi sóng mang bị dịch chuyển, đỉnh của hàm sin không còn giữ được độ cao như trước, dẫn đến sự suy giảm biên độ tín hiệu.
L ch t n s sóng mang làm m t tính tr c giao gi a các sóng mang con, t ệ ầ ố ấ ự ữ ừ đó gây nhi u ICI nghiêm tr ng lên h ễ ọ ệthống
2.3.1 Mô hình độ ệ l ch t n sầ ố ng c d ch t n Doppler có th hình 2.3
Tác độ ủa độ ị ầ ể được mô hình như trên Ở đây độ ệ l ch t n s ầ ố tác động lên h thệ ống được bi u di n b ng m t h s nhân ể ễ ằ ộ ệ ố
Tín hi u nhệ ận được phía máy thu v i nhi u tr ng AWGN ớ ễ ắ w(n) trên kênh truyền là:
( ) (n).e N w( ) j y n =x + n (2.7) Trong đó = f N T d S , v i ớ f d là độ ệ l ch t n Doppler, ầ T S là chu k symbol, N ỳ là số sóng mang con
Hình 2.3 Mô hình lệch tần số Doppler trong OFDM
2.3.2 nh h ng c a nhi u ICI gây ra bẢ ưở ủ ễ ởi lệch tần số Doppler
Các tác động c a l ch t n s ủ ệ ầ ố Doppler đố ới v i tín hiệu OFDM thu được có th ể được tìm hi u qua vi c xem xét symbol Y(k) trên sóng mang th k ể ệ ứ
= + − + = − (2.8) là s sóng mang con, i v i sóng
N ố X(k) là ký hiệu được phát đi, trong khi ứk là biến đổi FFT của w(n) S(l-k) đại diện cho các hàm số phức liên quan đến các thành phần ICI trong tín hiệu thu được Các thành phần nhiễu ICI là các tín hiệu nhiễu nằm trong hệ thống truyền dẫn.
22 trong các sóng mang con khác sóng mang con th Các h s phứk ệ ố ức được xác định b ởi:
+ − 9) (2 Để có (2.8 và (2.9 ta xu) ), ất phát t công th c (2.7) và bi u di n chu i các ừ ứ ể ễ ỗ symbol thu được sau giải điều ch : ế
= + (2.10) Khi đó, với Y(k) là biến đổi FFT c a y(n), ta có: ủ
S d ng chuử ụ ỗi cấp s c ng, chúng ta có th khai triố ộ ể ển như sau:
S(l-k) là thành phần ICI của các sóng mang con khác, gây ảnh hưởng đến sóng mang con thứ k Thành phần này càng lớn khi độ lệch tần số càng lớn.
Bài viết này xem xét hệ thống OFDM với 16 sóng mang con và tiến hành khảo sát ảnh hưởng của ICI tại các giá trị chuẩn hóa là 0,1 và 0,3 Nghiên cứu tập trung vào tín hiệu có độ ổn định nhận được tại sóng mang con có chỉ số là 0 (k = 0) Các hệ số ICI của các sóng mang con S(l-k) được biểu diễn trên hình 2.4 để minh họa rõ ràng.
Hình 2.4 Các thành phần ICI trong hệ thống OFDM với N = 16 ng trên cho th i v l ch t n s l ng s c a thành
Mô phỏng cho thấy độ ồn ảnh hưởng đến tín hiệu mong muốn và tăng cường sự can thiệp của các thành phần ICI Hình vẽ minh họa rằng thành phần sóng mang liên kết gây ra nhiều ICI nhất Để đánh giá tác động của nhiễu ICI do độ lệch tín hiệu, cần xem xét giá trị CIR (tỉ số chất lượng tín hiệu), biểu thị chất lượng của tín hiệu hiệu quả CIR được tính toán dựa trên công suất tín hiệu so với công suất của các thành phần nhiễu Trong trường hợp phát tín hiệu chuẩn với trung bình bằng 0, các ký hiệu được phát trên các sóng mang con sẽ được tính toán theo phương pháp thống kê cụ thể.
T các phân tích v ừ ề ảnh hưởng c a hiủ ện tượng d ch t n s ị ầ ố Doppler đối v i các ớ
Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM cho thấy chất lượng của hệ thống suy giảm đáng kể khi xuất hiện dịch chuyển Doppler Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng này là yêu cầu cần thiết để đảm bảo chất lượng của hệ thống OFDM trong môi trường có sự di chuyển tương đối giữa máy thu và máy phát Những giải pháp này sẽ được nghiên cứu và trình bày cụ thể trong chương tiếp theo.
Chương 3 – CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH T N DOPPLER Ầ
Chương 3 của bài viết trình bày nguyên lý của ba phương pháp khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng dịch tần số Doppler cho hệ thống OFDM Các phương pháp này bao gồm: phương pháp tự loại bỏ ICI, phương pháp ước lượng gần đúng nhầm lẫn (ML), và phương pháp lọc Kalman mở rộng.
3.1 Phương pháp tự ạ ỏ lo i b ICI
Phương pháp ước lượ ng g n gi ng nh t 29 ầ ố ấ 3.3 Phương pháp lọ c Kalman m r ng (EKF) 31 ở ộ 3.3.1 Đặ ấn đề t v
ng g n gi ng nh Paul H.
Phương pháp ước lượ ầ ố ất (ML) được đưa ra bởi Moose
Trong phương pháp OFDM, một ký hiệu OFDM được truy nã hai lần liên tiếp bên cạnh việc phát Giá trị chất lượng tín hiệu trên các sóng mang con được tính toán dựa trên so sánh sự pha của hai tín hiệu OFDM liên tiếp ở máy thu Phương pháp Maximum Likelihood (ML) được thực hiện cụ thể để tối ưu hóa quá trình này.
- T i máy phát, ạ N ký hiệu d ữliệu được điều ch ế IFFT N điểm hai lần và được phát trong hai chu k liên ti p nhau, c u trúc thỳ ế ấ ực hiện như trên hình 3.4
Hình 3.4 Cấu trúc thực hiện tại máy phát
- T i phía thu, tín hi u trong hai chu k liên ti p nhau ạ ệ ỳ ế được giải điều ch FFT ế
N điểm và th c hi n so sánh pha v i nhau, c u trúc th c hiự ệ ớ ấ ự ện như trên hình 3.5
Cấu trúc hiện tại của máy thu sử dụng ký hiệu OFDM có chiều dài N được phát hai lần liên tiếp Tín hiệu nhận được tại máy thu, khi không xét đến tạp âm, là dãy 2N điểm rõ ràng.
Trong đó: X(k) là các kí hi u d liệ ữ ệu được phát, H(k) là đáp ứng t n s c a ầ ố ủ
30 kênh đố ới v i sóng mang k
N ký hiệu đầu tiên được giải điều ch s d ng biế ử ụ ến đổi FFT N-điểm để ạ t o ra dãy R 1k :
= k=0,1, N-1 7) (3. và ký hi u th N ệ ứ hai được giải điều ch s d ng m t biế ử ụ ộ ến đổi FFT -N điểm khác để t o ra dãạ y R 2k :
T ừ phương trình 6 ta có th (3 ) ểthấy:
Phương trình 9(3) biểu thị mối quan hệ giữa R2k và Re1k, thể hiện dưới dạng R2k = Re1k * j2πε Điều này cho thấy rằng độ lệch tần số do kênh truyền gây ra sẽ được xác định thông qua sai pha giữa R1k và R2k.
Do tín hiệu ch u ị ảnh hưởng c a nhiễủ u tr ng (AWGN), tín hi u t i máy thu tr ắ ệ ạ ở thành:
Y 1k là N ký hi u truyệ ền qua kênh AWGN
Y 2k là phiên bản đã dịch pha của N ký hi u truy n qua kênh AWGN ệ ề
Vì độ ị d ch pha trên m i sóng mang con t l vỗ ỉ ệ ới độ ệ l ch t n s Vì v y l i t n ầ ố ậ ỗ ầ s ốcó thể được ước lượng t d ch pha này ừ độ ị
T ừ đây, giá trị độ ệch tầ l n s ốchuẩn hóa được ước lượng theo công thức : [8]
(3.11) với * là biểu di n liên h p phễ ợ ức
Khi độ ệ l ch t n s ầ ố đã biết, s can nhi u ICI trong các ký hi u d liự ễ ệ ữ ệu được gi m xu ng b ng cách nhân các ký hiả ố ằ ệu thu được v i liên h p ph c c a d ch t n s ớ ợ ứ ủ ị ầ ố và áp d ng biụ ến đổi FFT Công thức FFT có thể được biểu diễn dưới dạng ˆ ˆ( ) ( ) j n x n FFT y n e N.
(n): là ký hiệu d ữliệu được khôi phục y(n): là ký hiệu nhận được b ị méo do độ ệ l ch t n s ầ ố
: là độ ệ l ch t n s chuầ ố ẩn hoá được ư c lướ ợng
N: là số sóng mang con
Phương pháp ước lượng gắn liền với việc cải thiện hiệu suất sử dụng đường truyền, giúp giảm thiểu một số nhược điểm do ký hiệu OFDM gây ra Mặc dù công nghệ này cho phép thực hiện truyền hai lần, nhưng vẫn cần có những biện pháp để bù đắp ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu trong quá trình truyền tải.
Doppler nếu giá tr l ch t n s ị ệ ầ ố được ư c lướ ợng chính xác
3.3 Phương pháp lọc Kalman m r ng (EKF) ở ộ
Bộ lọc Kalman là một phương pháp toán học sử dụng các phương trình để ước lượng trạng thái của quá trình một cách hiệu quả, thông qua việc tối thiểu hóa giá trị trung bình của bình phương lỗi (MSE) Phương pháp này cho phép thực hiện ước lượng trạng thái một cách chính xác và hiệu quả.
Bộ lọc có khả năng hoạt động hiệu quả trong quá khứ, hiện tại và tương lai, ngay cả khi độ chính xác thực sự của mô hình hệ thống vẫn chưa được xác định.
Bài toán lọc Kalman nhằm tìm giá trị ước lượng của trạng thái x dựa trên sự biến thiên của nó và một đại lượng đo được z phụ thuộc vào x Quy trình lọc Kalman được chia thành hai bước chính.
- Ước lượng trạng thái trước đó
- Dựa vào kết quả đo, hiệu chỉnh lại ước lượng
Bộ lọc Kalman là một công cụ xử lý số hiệu quả cao, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền thông, định vị và dẫn đường Với khả năng ước lượng hồi quy mạnh mẽ và linh hoạt, thuật toán này được sử dụng trong nhiều mảng công nghệ truyền thông, bao gồm cân bằng thích nghi các kênh thoại và kênh fading tán xạ, giúp cải thiện chất lượng truyền tải dữ liệu.
Bộ lọc Kalman chỉ hoạt động hiệu quả với hệ thống tuyến tính và nhiễu trắng Gaussian, nhưng nhiều hệ thống thực tế lại không phải tuyến tính, dẫn đến sai số lớn khi sử dụng bộ lọc này Để khắc phục, nhiều phương pháp đã được phát triển nhằm tuyến tính hóa hệ thống, như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF), bộ lọc Unscented và bộ lọc hạt Một trong những cách đơn giản để tuyến tính hóa hệ thống là áp dụng khai triển chuỗi Taylor bậc 1, từ đó hình thành bộ lọc Kalman mở rộng.
Bộ lọc Kalman có mô hình không gian trạng thái được xác định:
Trong mô hình được trình bày, giá trị quan sát z(n) có mối quan hệ tuyến tính với giá trị cần xác định d(n) Giá trị d(n) có thể được ước lượng dựa trên giá trị z(n), và ước lượng này được cập nhật một cách tối ưu theo tiêu chí bình phương trung bình nhỏ nhất trong mỗi lần đệ quy.
Theo mô hình độ lệch tần số đã trình bày ở hình 2.3, tín hiệu thu được bên phía máy thu sẽ có dạng như biểu thức (3.14):
= + (3.14) Trong đó, ( ) n là độ ệ l ch t n Doppler chu n hóa ầ ẩ
Ta thấy rằng y(n) có quan hệ không tuyến tính với giá trị độ lệch tần cần ước lượng ( ) n , hay:
Để sử dụng bộ lọc Kalman hiệu quả trong việc xác định giá trị độ lệch tần số ε, cần phải tuyến tính hóa mô hình hệ thống Điều này có thể thực hiện thông qua việc áp dụng khai triển chuỗi Taylor bậc 1.
( ) ( ˆ ( 1 ) ) ( ˆ ( 1 ) ) ( ) ( ˆ 1 ) ( ) y n f n− +f n− n − n− +w n (3.16) Với ˆ ( n−1) là ước lượng của ( n−1)
Nếu đặt z n ( ) = y n ( ) − f ( ˆ ( n − 1 ) ) và d n ( ) = ( ) ( n − ˆ n − 1 ) thì ta có mối quan hệ sau:
Biểu thức (3.18) tương tự như biểu thức (3.13), cho thấy z(n) có mối quan hệ tuyến tính với d(n) Do đó, độ lệch tần Doppler chuẩn hóa ε(n) có thể được ước lượng thông qua một quá trình hồi quy tương tự như bộ lọc Kalman rời rạc Trong trường hợp này, bộ lọc Kalman được gọi là bộ lọc Kalman mở rộng (EKF).
Phương pháp lọc Kalman mở rộng, được giới thiệu bởi V.Jagan Naveen và K.RajaRajeswari vào năm 2011, được áp dụng để ước lượng độ lệch tần số trong các kênh truyền biến đổi chậm theo thời gian Giả thiết rằng đáp ứng xung của kênh truyền gần như không thay đổi trong quá trình truyền một khung OFDM, cho phép coi độ lệch tần số là hằng số.
Trong quá trình truyền dữ liệu, phần đầu (header) của mỗi khung có thể được sử dụng như một chuỗi hướng dẫn để ước lượng độ lệch tần cho các ký hiệu trong khung đó Việc ước lượng độ lệch tần được thực hiện bằng bộ lọc Kalman mở rộng, bao gồm hai bước chính: ước lượng độ lệch tần và hiệu chỉnh độ lệch tần.
3.3.2.1 Ước lượng đ ệộ l ch tần số
Theo [14] để ước lượng được giá trị của ( ) n , phương trình trạng thái được xây dựng như sau: