Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống OFDM

TÓM TẮT LUẬN VĂN Điềi chế đa sóng mang trực giao OFDM là kiểu điều chế đang được sử dụng trong một vài hệ thống không dây để truyền tải thông tin tốc độ cao.Vấn đề cơ bản của phương pháp

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu

Áp dụng phương pháp tự triệt ICI vào hệ thống OFDM, chứng minh rằng phương pháp này giúp hệ thống OFDM chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI tốt hơn.Tiến hành mô phỏng hệ thống trên các dạng kênh truyền khác nhau đồng thời so sánh với phương pháp ước lượng độ dịch tần số.Mô phỏng để tìm ra cách khắc phục khuyết điểm của phương pháp tự triệt ICI.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp này, tuy nhiên:

- Chỉ mô phỏng phương pháp với mô hình kênh truyền AWGN với độ lệch tần số chuẩn hóa, chưa mô phỏng với các mô hình kênh truyền thực tế khác

- Hệ thống OFDM dùng để mô phỏng là hệ thống OFDM cơ bản nhất

- Khuyết điểm của phương pháp này là hiệu suất sử dụng băng thông bị giảm đi một nửa.Luận văn cũng đưa ra hai cách khắc phục điều này, đồng thời mô phỏng để xem cách nào khả thi hơn

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Áp dụng phương pháp tự triệt ICI vào hệ thống OFDM, chứng minh rằng phương pháp này giúp hệ thống OFDM chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI tốt hơn.Tiến hành mô phỏng hệ thống trên các dạng kênh truyền khác nhau đồng thời so sánh với phương pháp ước lượng độ dịch tần số.Mô phỏng để tìm ra cách khắc phục khuyết điểm của phương pháp tự triệt ICI

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp tự triệt ICI

- Áp dụng vào hệ thống OFDM chuẩn WiMAX.

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

OFDM là phương pháp đang được nghiên cứu ứng dụng trong các chuẩn mới về truyền tải thông tin không dây tốc độ cao.Nó là nền tảng cho các hệ thống truyền thông tương lai.Nhiễu ICI là yếu tố chính làm giảm chất lượng của hệ thống

OFDM.Việc tìm ra các phương pháp để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống OFDM là điều cần quan tâm.

Bố cục của luận văn

- Chương 1: Lý thuyết cơ bản

- Chương 2: Ứng dụng và các vấn đề của OFDM

- Chương 3: Phân tích nhiễu liên sóng mang

- Chương 4: Các phương pháp giảm nhiễu ICI - Chương 5: Phương pháp tự triệt ICI

- Chương 6: Mô phỏng và kết quả

- Chương 7: Kết luận và đề xuất.

Lý thuyết cơ bản

Giới thiệu chung

Vào năm 1966, Chang đã tạo ra mô hình OFDM cơ bản và nhận được bằng sáng chế vào năm 1970 Kỹ thuật OFDM là một phương pháp truyền thông tin song song, sử dụng nhiều sóng mang con được điều chế Những sóng mang con này được phân phối trong băng thông khả dụng và được tách biệt vừa đủ trên miền tần số để vẫn chồng lấn lên nhau.

Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất ra hệ thống OFDM [1] sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform-DFT) để tạo ra các sóng mang con trực giao thay cho việc sử dụng các máy tạo sóng sin.Bằng cách sử dụng các khối biến đổi DFT ngược (Inverse Discrete Fourier Transform-IDFT) và các bộ chuyển đổi số-tương tự, họ đã giảm được đáng kể độ phức tạp của hệ thống Trong mô hình được đưa ra, tín hiệu băng gốc được điều chế bởi biến đổi IDFT tại máy phát và được giải điều chế bởi biến đổi DFT tại máy thu.Với mô hình này, tất cả sóng mang con sẽ chồng lấp lên nhau trong miền tần số trong khi biến đổi DFT sẽ đảm bảo chúng vẫn trực giao với nhau

Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix-CP) cho hệ thống OFDM được đưa ra lần đầu tiên bởi Peled và Ruiz vào năm 1980 [2].Khoảng bảo vệ được thêm vào để tránh sự chồng chập của 2 ký tự OFDM liên tiếp khi truyền tín hiệu để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.Sử dụng khoảng bảo vệ đã đánh đổi một phần năng lượng hữu ích khi truyền tải tuy nhiên phương pháp này giúp giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xuyên kí tự (Inter Symbol Interference-ISI).Vì vậy khoảng bảo vệ được các chuẩn IEEE hiện tại đề xuất thực hiện

Năm 1980, Hirosaki đưa ra thuật toán cân bằng để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu ISI và nhiễu xuyên sóng mang (Inter Carrier Interference-ICI) [3] tạo ra do méo dạng kênh truyền, sai số do đồng bộ hay sai số về pha của tín hiệu Đồng thời, Hirosaki cũng sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot và mã hóa vào hệ thống OFDM tốc độ cao của mình

Năm 1985, Cimini đưa ra phương thức cơ bản về pilot để giảm ảnh hưởng của nhiễu do đa dường [4].Những năm 1990, hệ thống OFDM được khai thác sử dụng cho việc thông tin tốc độ cao.Trong chuẩn IEEE 802.1, tần số sóng mang có thể rất cao lên đến 2.4 GHz hay 5 GHz Những nghiên cứu gần đây hướng đến sử dụng hệ thống OFDM hoạt động ở các tần số cao hơn gấp nhiều lần.Ví dụ, chuẩn IEEE 802.16 đưa ra tần số hoạt động từ 10 GHz đến 60 GHz

Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm của hệ thống OFDM là nó rất nhạy cảm với sai lệch về tần số, nguyên nhân tạo ra nhiễu ICI.Sự xuất hiện không mong muốn của ICI ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.Nhiều tác giả đã đề xuất các phương thức khác nhau để giảm ảnh hưởng của ICI.Đó cũng là một trong những mục tiêu của luận văn.

Mô tả

OFDM là sự kết hợp của điều chế song song và phân tập Phân tập cho phép các tín hiệu độc lập được phát từ các nguồn khác nhau Trong hệ thống FDM, tín hiệu gốc được chia thành nhiều kênh độc lập, được điều chế với dữ liệu, sau đó kết hợp thành sóng mang FDM Hiệu suất sử dụng phổ được cải thiện đáng kể nếu hệ thống FDM sử dụng tập hợp các sóng mang con trực giao với nhau Khoảng bảo vệ, cần thiết để tách biệt các ký tự trong hệ thống FDM, có thể được bỏ qua khi các sóng mang con là trực giao Việc sử dụng sóng mang trực giao cho phép các phổ tần số của sóng mang con chồng lấn lên nhau, do đó tăng hiệu suất phổ của hệ thống.

Khi tính trực giao giữa các sóng mang còn tồn tại, ta có thể khôi phục lại từng sóng mang con riêng biệt mà không cần quan tâm đến sự chồng chập của chúng.Với cách này ta đã tiết kiệm được gần một nửa băng thông do sự chồng lấp tần số Càng nhiều sóng mang con được sử dụng, băng thông sẽ tiến tới tỉ số (N+1)/N bit trên Hz Số sóng mang con càng lớn thì hiệu suất phổ càng cao Ý tưởng chính của OFDM là tính trực giao của các sóng mang con.Trực giao trong OFDM có thể hiểu là tần số của các sóng mang con có mối quan hệ chính xác về toán học Ta có thể sắp xếp các sóng mang con để chúng chồng lấp lên nhau mà vẫn có thể khôi phục lại.Để đạt được điều này, các sóng mang con phải thực sự trực giao với nhau về mặt toán học.Các sóng mang là độc lập tuyến tính nếu khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/T s với T s là thời gian tồn tại của kí tự

Để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang, hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Fourier OFDM truyền tải nhiều sóng mang băng hẹp với khoảng cách giữa các sóng rất gần Yêu cầu là tại tần số trung tâm của mỗi kênh không bị giao thoa bởi các kênh khác.

Hình 1.1: Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian Đầu tiên, bộ chuyển nối tiếp ra song song (Serial to Parallel-S/P) nhóm chuỗi bit từ bộ mã hóa thành từng nhóm log 2 M bit, với M là kích thước của điều chế số trên mỗi sóng mang.Kết quả N kí tự, X m , được tạo ra.Sau đó, N kí tự này được đưa vào khối biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Transform).Đầu ra của khối IFFT tương ứng với các sóng mang con trực giao trong hệ thống OFDM Kí tự OFDM cho bởi biểu thức:

Với X m là kí tự băng gốc trên mỗi sóng mang con.Khối chuyển đổi số qua tương tự (Digital to Analog Converter-DAC) sau đó tạo ra tín hiệu tương tự trên miền thời gian.Tín hiệu này sẽ được truyền đi qua kênh truyền

Tại máy thu, tín hiệu này sẽ được chuyển đổi ngược thành chuỗi N điểm rời rạc y(n), tương ứng với mỗi sóng mang con.Tín hiệu rời rạc này được giải điều chế dùng biến đổi FFT N điểm Chuỗi kí tự sau điều chế cho bởi biểu thức:

Trong đó W(m) là biến đổi FFT của w(n), là nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise) tạo ra bởi kênh truyền Tốc độ truyền dữ liệu cao của hệ thống OFDM có được do truyền đồng thời các sóng mang con trực giao tốc độ thấp Do truyền tải ở tốc độ thấp nên sự méo dạng tín hiệu nhận được do trễ đa đường không đáng kể so với hệ thống truyền tốc độ cao sử dụng duy nhất một sóng mang Ví dụ, tín hiệu băng hẹp gửi dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền đa đường sẽ nhận nhiều ảnh hưởng xấu hơn từ trễ đa đường do các kí tự quá gần nhau Méo dạng do đa đường cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu xuyen kí tự ISI làm các kí tự chồng chập lên nhau.Điều này đã được ngăn chặn trong hệ thống OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ giữa các kí tự OFDM Khoảng bảo vệ này được loại bỏ ở máy thu để loại trừ ISI.Nó phụ thuộc vào khả năng của hệ thống OFDM đối với ảnh hưởng của ISI và méo dạng đa đường.Đó là vấn đề cần quan tâm trong nhiều ứng dụng chuẩn và không dây.

Lý thuyết về OFDM

OFDM là kỹ thuật truyền dữ liệu song song bằng cách sử dụng một số lượng lớn sóng mang con được điều chế Những sóng mang con (những kênh con) phân chia khoảng băng thông hữu ích và tách biệt vừa đủ để chúng trực giao với nhau.Điều này có nghĩa là phổ của mỗi sóng mang bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác.Kết quả là không có sự ảnh hưởng qua lại giữa các sóng mang mặc dù phổ của chúng chồng lấp lên nhau

Về lí thuyết, khoảng cách giữa các sóng mang càng nhỏ thì hiệu suất sử dụng phổ càng tối ưu.OFDM đáng quan tâm bởi vì cách nó chống lại nhiễu ISI, được tạo ra do hiệu ứng fading đa đường chọn lọc tần số (frequency selective multipath fading) của kênh truyền không dây Mỗi sóng mang con được điều chế với tốc độ kí tự chậm, làm cho những kí tự dài hơn đáp ứng xung của kênh truyền.Bằng cách này ảnh hưởng của ISI được giảm bớt.Hơn thế nữa, nếu thêm vào khoảng bảo vệ giữa hai kí tự OFDM liên tiếp, ảnh hưởng của ISI có thể hoàn toàn biến mất.Khoảng bảo vệ phải dài hơn thời gian trễ đa đường.Mặc dù các sóng mang con được điều chế ở tốc độ thấp nhưng khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao vẫn đạt được bằng cách sử dụng số lượng sóng mang con lớn

ISI có ảnh hưởng ít hoặc gần như không ảnh hưởng lên hệ thống OFDM vì vậy không cần có bộ cân bằng ở phía máy thu.Trong hệ thống OFDM, thuật toán biến đổi ngược nhanh Fourier/ biến đổi nhanh Fourier (IFFT/FFT) được sử dụng ở khối điều chế và giải điều chế tín hiệu.Chiều dài của vector IFFT/FFT xác định khả năng của hệ thống chống lại sai số tạo ra do kênh truyền đa đường.OFDM được thực hiện trước nhất là chọn phổ yêu cầu dựa trên dữ liệu đầu vào và phương pháp điều chế Dữ liệu được chia cho các sóng mang con để truyền tải Điện áp và pha của sóng mang được tính toán dựa theo phương pháp điều chế, cơ bản là BPSK, QPSK hay QAM.Sau đó IFFT chuyển phổ thành tín hiệu trên miền thời gian.Thuật toán FFT chuyển tín hiệu trên miền thời gian về lại phổ tần số tương ứng.Tìm dạng sóng tương ứng, tạo bởi các sóng hình sin trực giao Tần số và pha của các sóng hình sin biểu diễn phổ tần số của tín hiệu trên miền thời gian.

Nguyên tắc cơ bản của OFDM

- Một vài quá trình thực hiện trên nguồn dữ liệu, như mã hóa để sửa lỗi, sắp xếp các bit thành các kí tự (ví dụ dùng QAM)

- Những kí tự này được điều chế thành các sóng mang con trực giao Việc này thực hiện bằng thuật toán IFFT

- Tính trực giao được đảm bảo khi truyền qua kênh truyền Điều này có được bằng cách thêm khoảng bảo vệ vào mỗi khung (frame) OFDM trước khi truyền

Khoảng bảo vệ gồm có L mẫu cuối cùng của frame, được sao chép và đặt ở đầu mỗi frame Khoảng bảo vệ phải dài hơn đáp ứng xung của kênh truyền

- Đồng bộ: Việc sử dụng khoảng bảo vệ có thể được dùng để phát hiện điểm bắt đầu của mỗi frame Việc này thực hiện được dựa trên thực tế là L mẫu đầu và cuối tương quan với nhau

- Giải điều chế tín hiệu nhận được bằng giải thuật FFT

- Cân bằng kênh truyền: có thể ước lượng kênh truyền thông qua các chuỗi huần luyện hoặc truyền các kí tự pilot biết trước trên các sóng mang con biết trước

- Giải mã và sắp xếp lại các bit

Tín hiệu OFDM do hệ thống tạo ra là tín hiệu băng gốc có hiệu suất phổ cao và khả năng điều chế riêng lẻ từng sóng mang Trong hệ thống phát thanh, OFDM được dùng để truyền thông tin một chiều Hệ thống OFDM sử dụng giải thuật DFT/FFT và phổ sin(x)/x cho mỗi sóng mang con, chia băng thông thành nhiều băng hẹp (2000-8000 cho truyền hình số, 48 cho Hyperlan2) để truyền dữ liệu song song Hệ thống OFDM dễ dàng giải quyết tình trạng truyền đa đường bằng giải thuật DSP, đơn giản hơn so với bộ cân bằng phức tạp ở máy thu trong các hệ thống truyền thông khác.

Hình 1.2: Hệ thống OFDM cơ bản.

Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Tại máy phát, chuỗi bit thông tin đầu tiên được mã hóa kênh truyền để giảm xác suất lỗi tại máy thu do ảnh hưởng của kênh truyền Thường thì mã chập hay được sử dụng Sau đó các bit được sắp xếp thành các kí tự.Thường được sử dụng là 16- QAM hoặc QPSK Chuỗi kí tự này được chuyển sang song song và IFFT (điều chế OFDM) được sử dụng.Sau đó chuỗi dữ liệu lại được chuyển thành nối tiếp

Khoảng bảo vệ được thêm vào giữa các kí tự OFDM.Chuỗi kết quả được chuyển thành tương tự sử dụng DAC và chuyển qua các tầng điều chế RF.Tín hiệu đã điều chế RF sau đó được truyền đến máy phát qua các ăng-ten phát.Chúng ta có thể định hướng sóng phát đi bằng cách sử dụng hệ thống ăng-ten Tại máy thu, giải điều chế RF được thực hiện trước tiên.Sau đó tín hiệu được chuyển về số dùng ADC và được đồng bộ về thời gian và tần số.Khoảng bảo vệ được loại bỏ khỏi mỗi kí tự OFDM và chuỗi được chuyển thành song song và thực hiện FFT (giải điều chế OFDM) Đầu ra được chuyển thành nối tiếp và các kí tự được chuyển trở lại thành chuỗi bit mã hóa Bộ giải mã hóa trả trở lại chuỗi bit thông tin ban đầu

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống OFDM.

Cơ bản về OFDM

là kĩ thuật truyền tải nhiều sóng mang, chia băng thông thành nhiều băng con ứng với các sóng mang con, mỗi sóng mang được điều chế với tốc độ thấp Về mặt kĩ thuật đa truy cập, OFDM tương tự như FDMA, kĩ thuật đa truy cập chia băng thông thành nhiều băng con, mỗi băng con tương ứng với người dùng Tuy nhiên OFDM sử dụng phổ hiệu quả hơn do khoảng cách của các băng con rất gần nhau Điều này đạt được bằng cách làm cho các sóng mang con trực giao với nhau, ngăn chặn được nhiễu từ các sóng mang kế cận Năm 1997, Lucent và NTT đưa ra đề nghị với IEEE vầ chuẩn không dây tốc độ cao cho mạng nội bộ (Local Area Network-LAN).Sau đó hai công ty kết hợp các đề nghị và được chấp thuận trở thành chuẩn sơ bộ vào năm 1998 và trở thành chuẩn IEEE 802.11a vào năm 1999

6.2 Sự phát triển của OFDM

Sự phát triển của OFDM có thể chia làm 3 giai đoạn gồm phân tập theo tần số (Frequency Division Multiplexing-FDM), truyền thông đa sóng mang (Multicarrier Communication-MC) và OFDM

6.2.1 Phân tập theo tần số FDM

FDM được sử dụng từ rất lâu để mang nhiều hơn một tín hiệu trên đường điện thoại.FDM sử dụng ý tưởng lấy các kênh có tần số khác nhau để mang thông tin của những người dùng (user) khác nhau.Mỗi kênh được xác định thông qua tần số truyền trung tâm.Để chắc chắn tín hiệu của kênh này không chồng lên kênh kế cận, một khoảng nghỉ hay khoảng bảo vệ được xen giữa các kênh khác nhau

6.2.2 Truyền thông đa sóng mang MC Ý tưởng của truyền thông đa sóng mang là sử dụng kĩ thuật FDM nhưng chỉ với một dữ liệu nguồn và một đữ liệu nhận.Ý tưởng của MC là chia một tín hiệu thành nhiều tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới trên một kênh tần số riêng, kết hợp các kênh này thành tín hiệu truyền đi Tại máy thu, tín hiệu được phân trở lại các kênh tần số, giải điều chế và hợp lại thành tín hiệu ban đầu

OFDM được xem như là một dạng của điều chế đa sóng mang với điều kiện khoảng cách giữa các sóng mang được lựa chọn cẩn thận để các sóng mang trực giao với nhau.Tính trực giao được đảm bảo bằng cách lựa chọn cẩn thận tần số của mỗi sóng mang con

6.3 Nguyên tắc cơ bản của kĩ thuật truyền OFDM

Như đã nói ở trên, OFDM là kĩ thuật điều chế đa sóng mang với các sóng mang con trực giao với nhau.Trực giao có nghĩa là các tần số của các song mang con trong hệ thống có mối quan hệ toán học chính xác.Chúng ta có thể sắp xếp các sóng mang để chúng chồng lấp lên nhau mà vẫn có thể phục hồi tín hiệu, không bị ảnh hưởng bởi các sóng mang kế cận Để đạt được điều này các sóng mang con phải trực giao về mặt toán học.Hai tín hiệu là trực giao nếu tích vô hướng của chúng bằng không.Có nghĩa là nếu chúng ta lấy hai tín hiệu đem nhân chúng với nhau và nếu trong một khoảng tích phân bằng không ta nói hai tín hiệu trực giao với nhau trên khoảng đó Vì các sóng mang con mang dạng sóng sin hoặc cos nên diện tích trong một chu kỳ luôn bằng không thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4: Một chu kỳ của sóng sin và cos

Nếu lấy sóng sin có tần số m nhân với sóng sin (hoặc cos) có tần số n thì tích của chúng cho bởi biểu thức

Với m, n đều là số nguyên.Bằng biến đổi lượng giác đơn giản, tích trên sẽ bằng tổng của hai sóng sin có tần số (n+m) và (n-m).Vì cả hai thành phần đều là sóng sin nên tích phân của chúng bằng không trên một chu kỳ Tích phân của biểu thức trên cho bởi:

Tổng quát với mọi số nguyên m, n, sinmx, cosmx, sinnx, cosnx đều trực giao với nhau.Những tần số này gọi là hài hòa (harmonics)

Khi các sóng mang con trực giao, phổ của mỗi sóng mang bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang, cho phép để khoảng cách giữa chúng, trên lý thuyết, nhỏ nhất có thể Tính trực giao cho phép truyền cùng lúc nhiều sóng mang với khoảng cách tần số nhỏ mà vẫn không gây nhiễu lên nhau thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.5: Sóng mang của tín hiệu OFDM

Hình 1.6: Các sóng mang của tín hiệu OFDM

Do vậy, tại máy thu có thể phân tách riêng từng sóng mang con Đối với hệ thống FDM truyền thống, sự chồng chéo tần số là không được phép Vì vậy, cần có khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các kênh.

Hình biểu diễn sơ đồ khối của hệ thống thu và nhận OFDM Phía phát biến dữ liệu số thành tổ hợp các sóng mang với biên độ và pha.Sau đó hệ thống chuyển đổi phổ đặc trưng cho dữ liệu này qua miền thời gian thông qua biến đổi ngược Fourier (IDFT).Biến đổi ngược nhanh Fourier (IFFT) cũng thực hiện cùng chức năng như IDFT nhưng khả năng tính toán của nó nhanh hơn nhiều nên được sử dụng trong các hệ thống OFDM thực tế.Để truyền tín hiệu OFDM, tín hiệu trên miền thời gian được trộn lại đưa lên cao tần Máy thu thực hiện quá trình ngược lại so với máy phát, tín hiệu cao tần được chuyển về băng gốc để xử lý, sau đó dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Biên độ và pha của tín hiệu được lấy ra để chuyển trở lại thành dữ liệu số IFFT và FFT là hai hàm ngược nhau và được sử dụng phù thuộc là tín hiệu được truyền hay phát Dữ liệu nhị phân được truyền đi từ máy phát được so sánh với dữ liệu nhận được ở máy thu Tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate-BER) được tính toán dựa trên dữ liệu nhị phân được truyền đi và nhận được.Kênh truyền ở đây là AWGN nên khối DAC không cần tính đến.Giống như vậy khối ADC cũng không cần thiết nhưng vẫn được biểu diễn trên sơ đồ khối

Hình 1.8: Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN

Sắp xếp tín hiệu (Signal mapping):

Có nhiều phương pháp điều chế để tính số bit truyền qua một ký tự trên sóng mang Dữ liệu số được điều chế trên mỗi sóng con Các phương pháp điều chế ánh xạ các bit dữ liệu thành một bản đồ pha bao gồm phần thực và phần ảo.

Ví dụ 256-QAM sẽ có 256 điểm IQ trong bản đồ sao sắp xếp theo hình vuông với 16 cột cách đều trên trục thực và 16 hàng trên trục ảo Số lượng bit được truyền trên một kí tự là log 2 M, với M là số điểm trong bản đồ sao, như 256-QAM sẽ truyền 8 bit trên một kí tự Tăng số điểm của bản đồ sao không giúp tăng băng thông truyền tải mà cho phép tăng hiệu suất sử dụng phổ.Ví dụ 256-QAM có hiệu suất phổ là 8 bit/s/Hz so với 1 bit/s/Hz của BPSK Tuy nhiên số lượng điểm của bản đồ sao càng lớn thì tại máy thu để giải mã chúng sẽ khó hơn nhiều

Biến đổi nối tiếp ra song song:

Dữ liệu truyền đi trong OFDM theo dạng chuỗi dữ liệu nối tiếp Để truyền dữ liệu hiệu quả, cần chuyển dữ liệu nối tiếp thành song song bằng cách chia thành các ký tự cơ bản Mỗi ký tự này chứa từ 40 đến 4000 bit Số lượng bit trên mỗi ký tự phụ thuộc vào phương pháp điều chế và số lượng sóng mang Ví dụ, nếu sử dụng điều chế 16-QAM với 100 sóng mang, mỗi ký tự OFDM sẽ truyền 400 bit Tại máy thu, quá trình ngược lại diễn ra, chuyển dữ liệu trên các sóng mang trở về dạng chuỗi dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Chuyển đổi từ miền tần số qua miền thời gian:

Thông điệp OFDM được tạo ra tại băng gốc phức Mỗi kí tự được điều chế thành các sóng mang tương ứng dùng PSK hay các dạng QAM khác nhau.Các kí tự dữ liệu được chuyển nối tiếp thành song song trước khi truyền đi Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp là Nπ/2 với N là số sóng mang con sử dụng Điều nay có thể đạt được bằng cách sử dụng biến đổi Fourier ngược (IDFT), hay đơn giản hơn là biến đổi ngược nhanh Fourier (IFFT) Kết quả là kí tự OFDM tạo trên N sóng mang chuyển thành N mẫu, với mẫu thứ i cho bởi biểu thức:

Tại máy thu, dữ liệu được truyền bằng kỹ thuật OFDM sẽ trải qua một quá trình ngược lại DFT để chuyển đổi dữ liệu bị biến đổi từ miền thời gian thành miền tần số Trong thực tế, máy thu OFDM gốc sử dụng FFT (Phép biến đổi Fourier nhanh) để khôi phục thông tin đã được truyền đi.

Nhiễu liên kí tự (ISI):

Ưu điểm của OFDM

Hệ thống OFDM có một vài ưu điểm hơn so với hệ thống điều chế một sóng mang và những điểm này giúp nó trở thành lựa chọn để thực hiện công nghệ CDMA trong hệ thống không dây tương lai Dưới đây là các ưu điểm của nó

7.1 Khả năng chống trải trễ đa đường

OFDM gần như không bị ảnh hưởng bởi trễ đa đường, là nguyên nhân tạo ra nhiễu liên kí tự (ISI) trên kênh truyền không dây.Khi thời gian tồn tại của kí tự dài hơn (có được bằng cách chuyển tốc độ dữ liệu cao thành N tín hiệu tốc độ thấp) thì ảnh hưởng của trải trễ cũng bị giảm đi với cùng một hệ số.Vì vậy cùng với việc thêm khoảng bảo vệ, tác động của nhiễu ISI gần như hoàn toàn bị loại bỏ

7.2 Khả năng chống chịu với kênh truyền fading chọn lọc tần số

Nếu kênh truyền là fading chọn lọc tần số thì kĩ thuật cân bằng phức là cần thiết tại máy thu của hệ thống điều chế một sóng mang Đối với trường hợp OFDM, băng thông được chia cho nhiều sóng mang con trực giao Vì vậy băng thông của kênh truyền cũng bị chia nhỏ trở thành các kênh truyền con fading phẳng Do đó mổi sóng mang con chỉ chịu ảnh hưởng của duy nhất fading phẳng, dù độ suy hao/ lệch pha do kênh truyền trên mỗi sóng mang con là khác nhau Tại máy thu, mỗi sóng mang con chỉ cần định lượng lại dựa trên độ suy hao/lệch pha do kênh truyền tác động lên nó Kể cả một vài trường hợp sóng mang con bị mất do fading thì với việc mã hóa và sắp xếp dữ liệu trước khi truyền ta cũng có thể khôi phục lại dữ liệu trước đó

7.3 Hiệu quả điều chế và giải điều chế Điều chế và giải điều chế đối với các sóng mang con thực hiện bằng giải thuật IFFT và FFT, các thuật toán có hiệu suất tính toán tốt.Bằng cách thực hiện điều chế và giải điều chế trên tín hiệu số giúp ta tránh được việc sử dụng các bộ dao động ổn định tần số cao OFDM còn tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp lên nhau

Hình 1.10: Hiệu suất phổ của OFDM (trái) so với FDM (phải)

OFDM đạt được hiệu suất phổ cao do cho phép các sóng mang con được chồng lấp lên nhau trong miền tần số Nếu số lượng sóng mang con là N và T s là thời gian tồn tại của kí tự thì băng thông tổng cần là:

Mặt khác, tổng băng thông cần thiết khi truyền một sóng mang với cùng dữ liệu như trên là:

(1.6) 7.4 Sức mạnh trước kênh truyền fading chọn lọc tần số

Trên kênh truyền đa đường, tín hiệu phản xạ bị trễ, cộng vào tín hiệu gốc làm tăng cường hoặc suy hao về biên độ và pha.Sự suy hao đôi khi làm mất luôn tín hiệu.Những kênh truyền mà sự suy hao lớn xuất hiện trên một vài tần số gọi là kênh truyền fading chọn lọc tần số (Hình 1.12) và những tần số bị ảnh hưởng sẽ tùy thuộc vào môi trường Đối với hệ thống một sóng mang, nếu tần số truyền chính là tần số bị ảnh hưởng thì toàn bộ tín hiệu sẽ bị mất.Trong trường hợp của OFDM, do dùng nhiều sóng mang con nên chỉ một vài sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 1.13) và chỉ một phần nhỏ tín hiệu bị mất, có khả năng khôi phục lại được

Hình 1.11: Tín hiệu và đáp ứng của kênh truyền

Hình 1.12: Đáp ứng của kênh truyền fading chọn lọc tần số

Hình 1.13: Khả năng chống chịu của OFDM trước fading chọn lọc tần số

Như vậy ngoài việc sử dụng phổ hiệu quả hơn do cho phép chồng lấp trên miền tần số, việc sử dụng số lượng lớn sóng mang con còn giúp OFDM chống lại tác động của kênh truyền fading chọn lọc tần số.Việc thêm khoảng bảo vệ giúp chống lại ảnh hưởng của ISI Sử dụng mã hóa kênh truyền và xáo trộn dữ liệu giúp khôi phục lại kí tự bị mất do tại các tần số chọn lọc của kênh truyền

Cân bằng kênh truyền trở nên đơn giản hơn so với hệ thống một sóng mang bằng cách sử dụng kĩ thuật cân bằng thích nghi.Để giảm độ phức tạp tính toán có thể sử dụng các phương pháp giải mã mềm.Hiệu năng tính toán của OFDM cũng được cải thiện sử dụng kĩ thuật FFT tương ứng cho khối điều chế và giải điều chế.OFDM không qua nhạy cảm với sự sai số về đồng bộ so với hệ thống một sóng mang.Ngoài ra OFDM còn có khả năng chống lại nhiễu từ các hệ thống khác và các nguồn nhiễu xung kí sinh.

Ứng dụng và các vấn đề của OFDM

Ứng dụng của OFDM

Như đã nói ở trên, OFDM là kĩ thuật truyền số phù hợp với băng thông rộng và tốc độ cao.Ưu điểm chính là không cần thiết phải có các bộ cân bằng Kết quả là OFDM không phải là giải pháp tốt cho thông tin một-một với một vài người dùng trên kênh truyền chia sẻ, nguyên nhân do sự cấp phát tần số Tuy nhiên tại các băng tần siêu cao (Super High Frequency-SHF) hay hơn nữa (Extremely High Frequency-EHF) nơi băng thông đã sử dụng không phải là vấn đề lớn thì OFDM lại là giải pháp tốt cho thông tin một-một Tuy nhiên ngày nay OFDM thường dùng chủ yếu cho thông tin một-nhiều như radio hay như truyền hình quảng bá Đó là lí do chúng ta thấy sự xuất hiện của OFDM trong các hệ thống phát thanh số như DAB hay DVB

1.2 Phát thanh số (Digital Audio Broadcasting-DAB)

Hệ thống phát thanh số DAB là hệ thống truyền thông số quốc tế và chuẩn hóa, phát triển bởi dự án châu Âu EUREKA-147 Trong tương lai gần, hệ thống sẽ hoàn toàn thay thế hệ thống radio tương tự FM hiện nay, hoạt động trên dải tần từ 88 đến 108 MHz Hệ thống DAB là hệ thống số và cho phép chất lượng âm thanh giống như chất lượng âm thanh của đĩa CD DAB có khả năng chống nhiễu tốt hơn nên phù hợp với việc thu di động như trong xe hơi.Những tính năng mới có thể được thêm vào máy thu như là các ứng dụng đa phương tiện (ví dụ truyền tải hình ảnh hay tin nhắn).Cách thức truyền dữ liệu của DAB là điều chế OFDM Hiện nay, DAB được ứng dụng rộng khắp châu Âu và một vài nước khác, bộ thu vẫn còn khá mắc giống như giá của đầu đọc CD đầu những năm 80 nhưng chúng ta có thể hi vọng trong vài năm tới DAB sẽ được sử dụng rộng rãi

ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line) là kĩ thuật truyền dữ liệu tốc độ cao (lên đến 6 Mb/s với đường downlink và 640 Kb/s với đường uplink) trên đường dây điện thoại.Mỗi đường gồm hai sợi dây đồng xoắn vào nhau.Ý tưởng là sử dụng toàn bộ khả năng của đường dây thay vì chỉ dùng có 4 KHz để truyền tải giọng nói.Tổng băng thông là 1,1 MHz Vấn đề chính là đặc tính của đường dây thay đổi theo người dùng.Sự thay đổi về khoảng cách, sự xuất hiện của các điểm nối trên đường dây, các đường dây kế cận là nguyên nhân Kết quả là sự phản xạ tạo ra sự suy hao, vận tốc thay đổi do tần số tạo nhiễu ISI.Vấn đề nay gần giống như kênh truyền không dây

Có hai phương pháp điều chế có thể dùng cho ADSL: CAP (Carrier less Amplitude Phase) gần giống với QAM và DMT (Dicrete Multi Tone) là một cách gọi khác của OFDM.Ngày nay DMT dường như trở thành giải pháp hàng đầu cho ADSL Đường downlink bao gồm 222 tone (sóng mang) và đường uplink được chia thành 24 tone.Từ 2 đến 15 bit được mã hóa trong một tone.Tốc độ truyền tải được tối ưu hóa phụ thuộc điều kiện của đường dây.Nếu truyền tải trên một tone bị đứt do phản xạ hay nhiễu trên băng tần thì truyền tải trên tone đó sẽ bị loại bỏ bởi modem

HyperLAN2 là kĩ thuật mới, được phát triển phù hợp với hoạt động trong môi trường LAN.Phương thức HyperLAN2 được phát triển bởi ETSI (European Telecommunications Standardisation Institute) và hoàn thành vào khoảng cuối năm 1999, đầu năm 2000.HyperLAN2 hoạt động trên băng tần 5GHz, nơi được dành cho cho mạng LAN không dây.Trái ngược với kĩ thuật Ethernet không dây theo chuẩn IEEE 802.11, HyperLAN2 dùng định hướng kết nối Các kết nối trong không gian được phân tập theo thời gian.Các kết nối có thể được quy định chất lượng dịch vụ khác nhau.Chất lượng dịch vụ cho phép truyền tải các kĩ thuật khác nhau như giọng nói, video hay dữ liệu Nó cũng cho phép các kết nối đặc biệt như unicast, multicast hay broadcast.HyperLAN2 cũng cho phép liên kết với hầu hết các kĩ thuật mạng khác.Vì vậy HyperLAN2 có thể mang, ví dụ như các khung Ethernet hay các gói IP…Viễn cảnh đầu tiên cho HyperLAN2 là được sử dụng ở giữa điểm cuối di động như laptop và điểm truy cập

OFDM là kĩ thuật điều chế được sử dụng trong tầng vật lý của HyperLAN2, với biến đổi Fourier nhanh 64 điểm.Để diều chế sóng mang, ta có thể lựa chọn giữa BPSK, QPSK, 16-64 QAM, chu kỳ kí tự là 3,6 μs với khoảng bảo vệ là 0,8 μs (hoặc 0,4 μs).Quá trình giải điều chế sử dụng tương ứng OFDM cho phép sử dụng băng tần rộng và tốc độ bit lên đến 54Mbit/s

Các thiết bị điện tử của truyền thông, camera hay máy tính có thể liên kết được với HyperLAN2 sử dụng một mô-đun (module) H2 nhỏ cho phép tự tạo kết nối.HyperLAN2 cho phép các thiết bị đa phương tiện có thể được điều khiển một cách thông minh từ bất kỳ thiết bị tính toán nào trong nhà mà không cần dây cáp mạng.HyperLAN2 cũng hỗ trợ khả năng bảo mật cao, bao gồm cả xác định danh tính và mã hóa.Nó cũng được xây dựng tiện lợi cho phép cấp pháp tần số tự động, sự quy hoạch tần số được loại bỏ

1.5 Các ứng dụng khác - Hệ thống truyền tải không dây ATM.

Các vấn đề của OFDM

2.1 Vấn đề về đồng bộ

Một vấn đề quan trọng khi tiếp nhận tín hiệu là lấy mẫu tín hiệu chính xác Nếu lấy mẫu sai thì phép biến đổi Fourier không thể phục hồi các dữ liệu được truyền trên sóng mang Sự phức tạp xảy ra khi bộ thu vừa được bật lên, tốn thời gian để đồng bộ Nếu tín hiệu truyền đi thực tế tuần hoàn theo thời gian, tác động của độ dịch chuyển thời gian sẽ làm thay đổi pha của các sóng mang con một lượng nhất định Đây chính là định lý dịch chuyển thời gian trong lý thuyết tích chập.

Dịch thời gian không chỉ làm dịch pha tín hiệu như đã nói ở trên mà nó còn tạo ra nhiễu liên kí tự lên kí tự kế tiếp.Nhiễu này rất khó để loại bỏ Để tránh những vấn đề trên, ta định truyền nhiều hơn một chuỗi mẫu hoàn chỉnh để tăng khả năng đồng bộ Đó là khoảng bảo vệ dữ liệu thêm vào.Nó được tạo ra bằng cách lặp lại một khoảng, có chiều dài bằng khả năng nhớ của kênh truyền, những mẫu cuối cùng lấy từ chuỗi gốc.Một kĩ thuật được sử dụng để có được sự đồng bộ tốt là thêm vào giữa các kí tự OFDM các kí tự trắng (các mẫu không).Kĩ thuật này được sử dụng trong DAB để đồng bộ về thời gian

2.2 Vấn đề về nhiễu pha

Tại máy thu, bộ dao động nội có thể tạo ra nhiễu pha lên tín hiệu OFDM Nhiễu pha có thể có hai tác động: lỗi pha thông thường (Common Phase Error-CPE) làm việc xác định vị trí trên bản đồ sao bị sai lệch và nhiễu liên sóng mang ICI BBC R&D đã phân tích ảnh hưởng của nhiễu pha lên tín hiệu OFDM, phân tích này cho thấy CPE xảy ra đồng thời trên tất cả sóng mang con Sự dịch pha này có thể giải quyết dễ dàng tuy nhiên ICI là vấn đề khó khăn hơn nhiều do ảnh hưởng khác nhau trên mỗi sóng mang con

2.3 Vấn đề về sai lệch tần số

Hệ thống OFDM có thể chia lỗi tần thành hai dạng.Đó là độ lệch về tần số (Frequency offset) tạo bởi sai số về tần số của bộ dao động nội và tần số xung clock chính của máy thu bị sai làm cho khoảng cách giữa các sóng mang con sau khi giải điều chế khác đi so với trước khi truyền.Trước khi tìm cách giải quyết vấn đề, các nhà thiết kế hệ thống phải xác định khoảng sai số tần số nào có thể chấp nhận được và tìm hiểu sai số này ảnh hưởng thế nào đến tín hiệu nhận được Cả hai trường hợp đều được phân tích, độ lệch về tần số ảnh hưởng lên phần lớn sóng mang là như nhau, các sóng mang ở phía biên ít bị ảnh hưởng hơn Với băng thông hệ thống giữ cố định, độ lệch tần số giữ không đổi, nhiễu ICI tạo ra trong trường hợp này tăng theo số lượng sóng mang con sử dụng Đối với sai số về tần số của xung clock của máy thu, nếu không xảy ra lệch tần số thì ảnh hưởng của nó lên các sóng mang là khác nhau (tần số trung tâm chịu ảnh hưởng nhỏ, nặng nhất là các tần số ở gần phía biên).

Phân tích OFDM

Khi truyền ở tần số cao (VHF hoặc cao hơn), chúng ta luôn phải đối mặt với môi trường đa đường Những môi trường này có thể dễ dàng tìm thấy ở các khu đô thị nơi các tòa nhà phản xạ lại các sóng truyền đi

Một vấn đề của đa đường là tổng hợp sóng từ các đường khác nhau có thể làm tăng cường hoặc hủy hoại tùy theo vị trí, vì tín hiệu thay đổi liên tục khi di chuyển

Chúng ta có thể cảm nhận được điều này khi nghe radio khi lái xe trong thành phố, tín hiệu có khi bị mất do nhiễu khi di chuyển.Tổng quát chúng ta gọi đó là kênh truyền chọn lọc tần số.Các đặc tính có thể thay đổi rất nhanh khi di chuyển Vì vậy kênh truyền có tính thay đổi theo thời gian Mục đích của bộ cân bằng là để giảm bớt các vấn đề do chọn lọc tần số

Hình 2.1: Đáp ứng xung cơ bản của kênh truyền tạo ra khi truyền đa đường

Một hiệu ứng khác ảnh hưởng đến truyền dẫn số là tín hiệu đến từ các đường khác nhau có thời gian trễ khác nhau phụ thuộc vào chiều dài của đường đi

3.4 Vấn đề truyền băng rộng trên một sóng mang

Khi truyền băng rộng trên kênh truyền chọn lọc tần số, bộ cân bằng phải được sử dụng để tránh ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI Bộ cân bằng sẽ cố gắng làm kênh truyền thành phẳng.Để thực hiện được thì các thông số trạng thái của kênh truyền phải biết được Các chuỗi huấn luyện phải được truyền theo chu kỳ để ước lượng kênh truyền.Ước lượng kênh truyền thực hiện qua nhiều phép toán và tiêu tốn thời gian xử lý của CPU.Vì vậy khi tốc độ dữ liệu cao và kênh truyền thay đổi nhanh thì cần phải có CPU công suất cao và hệ thống trở nên đắt đỏ Bên cạnh đó chu kỳ kí tự rất nhỏ so với khả năng nhớ của kênh truyền Điều đó tạo ra nhiễu liên kí tự ISI nặng và cần có bộ cân bằng để sửa vấn đề đó

3.5 Truyền dẫn đa sóng mang Ý tưởng của truyền dẫn đa sóng mang là chia băng thông thành nhiều băng hep để truyền đi lam cho kênh truyền dường như là phẳng trên mỗi sóng mang con

Kỹ thuật phân tập theo tần số chia dữ liệu cho nhiều sóng mang con thay vì truyền trên một sóng mang duy nhất Điều này loại bỏ nhu cầu cân bằng, tăng thời gian ký tự trên mỗi sóng mang Nhờ vậy, ảnh hưởng do đáp ứng xung của kênh truyền giảm đi, nhiễu liên ký tự ISI giảm và không cần đến các bộ cân bằng.

Hình 2.4: Truyền đa sóng mang.

Phân tích nhiễu liên sóng mang

Khuyết điểm chính của OFDM là nó nhạy cảm với một sự thay đổi nhỏ về tần số ở máy thu và máy phát, cơ bản gọi là độ lệch tần số (frequency offset).Độ lệch tần số này có thể tạo ra do hiệu ứng Doppler tương quan theo sự dịch chuyển giữa máy phát và máy thu, hay do sự khác biệt tần số của các bộ dao động nội giữa máy phát và máy thu.Độ lệch tần số được mô hình hóa là thành phần nhân thêm tạo bởi kênh truyền như hình 3.1

Hình 3.1: Mô hình của độ dịch tần

Tín hiệu thu được cho bởi biểu thức:

Trong quá trình truyền dữ liệu qua kênh truyền có nhiễu AWGN, độ lệch tần chuẩn hóa Ɛ đóng vai trò quan trọng Ɛ được tính bằng hiệu số giữa tần số sóng mang của máy phát và tần số sóng mang của máy thu, chia cho chu kỳ ký tự Giá trị của Ɛ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền thông, đặc biệt là chất lượng của tín hiệu nhận được tại đầu ra.

Với N là số lượng sóng mang con sử dụng, X(k) là kí tự được truyền đi (ví dụ đã được điều chế M-PSK) trên sóng mang con thứ k, n k là biến đổi FFT của w(n) và S(l-k) là hệ số phức biểu diễn cho thành phần ICI tác động lên tín hiệu nhận Thành phần ICI là tác động từ các tín hiệu truyền trên các sóng mang con khác lên sóng mang con thứ k Hệ số phức này cho bởi biểu thức:

Để đánh giá tác động của ICI đến tín hiệu thu, nghiên cứu hệ thống sử dụng N sóng mang con Giá trị lệch tần số sử dụng là 0,1 và 0,4, với l = 0 Quá trình phân tích tập trung vào tín hiệu nhận được trên sóng mang con mang chỉ số 0.

Hệ số phức ICI S(l-k) vẽ cho tất cả sóng mang được biểu diễn trên các hình 3.2, 3.3, 3.4 và 3.5

Hình 3.2 cho thấy khi Ɛ tăng, giá trị của thành phần tín hiệu đang xét S(0) giảm trong khi các thành phần ICI tăng.Thực tế này được sử dụng trong kĩ thuật tự triệt ICI (self-cancellation ICI) mô tả ở các chương sau

Tỉ số sóng mang trên nhiễu CIR (Carrier to Interference Ratio) là tỉ số giữa công suất tín hiệu và công suất của những thành phần nhiễu.Nó là chỉ thị tốt để biết chất lượng của tín hiệu.Nó được lấy ra từ biểu thức của Y(k) và cho bởi biểu thức bên dưới.Chúng ta cho dữ liệu truyền có trung bình bằng 0 và kí tự truyền đi trên các sóng mang khác nhau độc lập thống kê.Trong biểu thức lý thuyết của CIR, nhiễu cộng đã được bỏ qua Công suất tín hiệu nhận mong muốn cho bởi biểu thức:

(3.4) Với X(k) có trung bình bằng không và độc lập thống kê, hàm tự tương quan của X(k) cho bởi biểu thức:

(3.5) Công suất ICI cho bởi biểu thức:

(3.6) Tỉ số CIR cho bởi biểu thức dưới:

(3.7) Xét trên sóng mang con thứ 0, biểu thức của CIR trở thành:

Hình 3.2: Biên độ của S(l-k) theo với N k 0 1 2 3 4 5 6 7 ε = 0.1 0.9836 0.1098 0.0529 0.0358 0.0278 0.0235 0.0210 0.0197 ε = 0.4 0.7576 0.5057 0.1923 0.1216 0.0915 0.0756 0.0667 0.0617 k 8 9 10 11 12 13 14 15 ε = 0.1 0.0193 0.0196 0.0207 0.0229 0.0267 0.0337 0.0481 0.0901 ε = 0.4 0.0596 0.0598 0.0625 0.0681 0.0781 0.0960 0.1309 0.2189

Bảng 3.1: Biên độ của S(l-k) theo với N

IC I c o e ff ic ie n t offset=0.1 offset=0.4

Hình 3.3: Biên độ của S(l-k) theo với Nd thang dB

IC I c o e ff ic ie n t offset=0.1 offset=0.2 offset=0.3

Hình 3.4: Phần thực của S(l-k) theo với N k 0 1 2 3 4 5 6 7 ε= 0.1 0.941 -0.0968 -0.0409 -0.0227 -0.0131 -0.0068 -0.0020 0.0019 ε= 0.4 0.2899 -0.0986 3.53e-17 0.0237 0.0350 0.0420 0.0471 0.0513 k 8 9 10 11 12 13 14 15 ε = 0.1 0.0056 0.0092 0.0131 0.0177 0.0236 0.0323 0.0479 0.0896 ε = 0.4 0.0550 0.0587 0.0625 0.0668 0.0722 0.0798 0.0925 0.1216

Bảng 3.2: Phần thực của S(l-k) theo với N

Hình 3.5: Phần ảo của S(l-k) theo với N k 0 1 2 3 4 5 6 7

Bảng 3.3: Phần ảo của S(l-k) theo với N

Các phương pháp giảm nhiễu ICI

Phương pháp cân bằng miền tần số (Frequency domain equalization)

Méo dạng fading trên kênh truyền tạo ra nhiễu ICI tại bộ giải điều chế OFDM.Mô hình ICI biến thiên từ frame này đến frame khác của dữ liệu giải điều chế nhưng giữ nguyên đối với tất cả kí tự trong cùng một frame của dữ liệu giải điều chế Vì vậy phương pháp cân bằng miền tần số được sử dụng để giảm ảnh hưởng của ICI bằng cách sử dụng các kĩ thuật cân bằng phù hợp Chúng ta có thể ước lượng nhiễu ICI ảnh hưởng lên từng frame bằng cách thêm vào các kí tự pilot miền tần số vào mỗi frame như hình 4.1

Hình 4.1: Các sóng mang pilot

Phương pháp này chỉ giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI tạo ra do méo dạng fading, không phải là nguồn chính tạo ra ICI Nguồn nhiễu ICI chính là sự sai lệch về tần số giữa máy thu và phát, và hiệu ứng Doppler.Phương pháp trên không giải quyết vấn đề này Bên cạnh đó, nó chỉ phù hợp với kênh truyền fading phẳng, nhưng kênh truyền của hệ thống di động là fading chọn lọc tần số do các thành phần đa đường.Hơn thế nữa kênh truyền cần được ước lượng cho mỗi frame.Việc ước lượng kênh truyền là phức tạp, tốn kém và mất thời gian.Vì vậy đây không phải là giải pháp hiệu quả.

Phương pháp cửa sổ miền thời gian (Time domain windowing)

Tín hiệu OFDM sở hữu phổ công suất rộng, dẫn đến nguy cơ mất mát thành phần tín hiệu khi truyền trên kênh băng thông bị hạn chế, gây ra nhiễu ICI (Inter-carrier interference).

Hình 4.2: Phổ của 64 sóng mang con OFDM Để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu, phổ của dạng sóng tín hiệu cần tập trung lại.Điều này đạt được bằng cách sử dụng tín hiệu cửa sổ.Về cơ bản phương pháp cửa sổ là quá trình nhân các hàm thích hợp lên dạng sóng của tín hiệu truyền đi.Một cửa sổ tương ứng được sử dụng ở phía thu để có lại được tín hiệu ban đầu.Nhiễu ICI sẽ được loại bỏ nếu tích các hàm cửa sổ thỏa mãn tiêu chuẩn đối xứng Nyquist

Cửa sổ frame by frame (frame by frame windowing)

Tín hiệu đa sóng mang trực giao giới hạn về thời gian S(t) có thể biểu diễn bởi biểu thức:

Trong đó , là chuỗi số phức, ∆ { = 0,1, … , − 1} là tần số sóng mang và chúng cách đều nhau một khoảng ∆ Hàm cửa sổ w(t) có chiều dài T và nó quy định dạng sóng của tín hiệu đa sóng mang trong từng frame Nhiễu ICI đối với tín hiệu đa sóng mang có thể được loại bỏ nếu hàm cửa sổ w(t) và khoảng cách giữa sóng mang ∆ được chọn chính xác Để có được máy thu phù hợp với tín hiệu truyền đi, hàm cửa sổ ở cả máy thu và máy phát phải được chọn phù hợp.Nhiễu ICI có thể được xác định bằng cách xem xét tương quan chéo giữa hai sóng mang của tín hiệu truyền đi Với chuỗi phức , , điều kiện để không có nhiễu ICI cho bởi:

Nếu hàm ( ) đạt được tiêu chuẩn đối xứng Nyquist, điều kiện trên sẽ xảy ra.Gọi ′ là tham số thời gian và /2 ≤ ′ ≤ thì hàm cửa sổ ( ) đạt được tiêu chuẩn đối xứng Nyquist phải thỏa điều kiện:

(4.3) Ở đây x(t) là hàm cửa sổ chữ nhật trên khoảng − /2 ≤ ′ ≤ /2 và y(t) là hàm chẵn đối xứng tâm trên khoảng − /2 ≤ ′ ≤ /2 Chúng ta biết rằng hàm raised cosine phù hợp với tiêu chuẩn Nyquist, và có thể chọn làm y(t) Ở đây T được xácđịnh bằng = (1 + ) với là hệ số roll-off của hàm raised cosine Điều kiện để triệt tiêu ICI yêu cầu khoảng cách tần số giữa hai sóng mang liên tiếp là: ω ∆ =2π(1 + α)

Vì vậy tổng băng thông cho N sóng mang vào khoảng (1 + α)/ với là thời gian tồn tại kí tự của chuỗi đầu vào và =

Phương pháp này chỉ giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI tạo ra do kênh truyền băng thông bị giới hạn, không phải là nguồn gay nhiễu ICI chính Nguồn nhiễu ICI chính là sự sai lệch về tần số giữa máy thu và phát, và hiệu ứng Doppler.Phương pháp trên không giải quyết vấn đề này Cửa sổ được dùng cho từng frame và nó làm giảm hiệu suất phổ trên một khu vực lớn.Vì vậy đây không phải là giải pháp hiệu quả.

Phương pháp định dạng xung (Pulse shaping)

Chúng ta có thể thấy trên phổ OFDM, mỗi sóng mang con có một búp sóng chính và các búp sóng biên có biên độ bị suy giảm Khi tính trực giao được đảm bảo thì sẽ không có nhiễu giữa các sóng mang do tại đỉnh của mỗi sóng mang các thành phần phổ của các sóng mang khác bằng không.Vì vậy từng sóng mang riêng lẻ có thể dễ dàng tách ra

Khi có một độ lệch về tần số, tính trực giao bị mất đi do điều kiện trên không còn xuất hiện tại đỉnh của mỗi sóng mang nữa.Vì vậy một vài năng lượng của các búp sóng biên xuất hiện tại trung tâm của các sóng mang riêng lẻ và được gọi là năng lượng ICI Năng lượng ICI sẽ tăng khi độ lệch tần số tăng lên.Mục đích của phương pháp định dạng xung là giảm các búp sóng biên.Nếu có thể giảm các búp sóng biên đi đáng kể thì năng lượng ICI cũng giảm đi đáng kể.Vì vậy một số hàm định dạng sóng được sử dụng nhằm mục tiêu giảm các búp sóng biên càng nhiều càng tốt

Các hàm định dạng sóng đáng kể là:

- Xung chữ nhật (Rectangular Pulse- REC)

- Xung raised cosine (Raised Cosine Pulse- RC)

- Xung raised cosine tốt hơn (Better Raised Cosine Pulse-BTRC)

- Xung năng lượng sinc (Sinc Power Pulse-SP)

- Xung năng lượng sinc tăng cường (Improved Sinc Power Pulse-ISP).

Phương pháp ước lượng ML (Maximum likelikood estimation)

Một phương pháp khác để sửa sai độ lệch tần số là ước lượng ML trong hệ thống OFDM được đề xuất bởi Moose.Để đạt được điều này, độ lệch tần số phải được ước lượng thống kê bằng giải thuật ML và được loại bỏ tại máy thu Kĩ thuật này đòi hỏi tạo một bản sao của kí tự OFDM trước khi truyền và so sánh pha của từng sóng mang con giữa các kí tự liên tiếp

Khi một chuỗi kí tự OFDM với chiều dài N được lặp lại, máy thu sẽ nhận được, với sự tồn tại của nhiễu, chuỗi 2N điểm ( ) cho bởi

Với X(k) là các giá trị điều chế phức thứ 2k+1sử dụng để điều chế sóng mang con thứ 2k+1 H(k) là hàm truyền của kênh truyền đối với sóng mang thứ k và là độ lệch tần số chuẩn hóa của kênh truyền Tổ hợp N kí tự đầu tiên được giải điều chế dùng biến đổi N điểm FFT tạo ra chuỗi ( ) và tổ hợp N kí tự thứ hai được giải điều chế dùng biến đổi N điểm FFT tạo ra chuỗi ( ) Độ lệch tần số là sự khác biệt về pha giữa ( ) và ( ), biểu diễn bởi ( ) = ( )

Cộng thêm ảnh hưởng của AWGN:

(4.6) Ước lượng ML của độ lệch tần số chuẩn hóa cho bởi biểu thức: ̂ = 1 2 tan (∑ [ ( ) ∗ ( )])

(4.7) Ước lượng ML của độ lệch tần số được tính toán dựa trên dữ liệu nhận được.Khi độ lệch tần số đã biết được, méo dạng ICI trên kí tự dữ liệu được giảm thiểu bằng cách nhân kí tự nhận được với độ lệch tần số phức liên hiệp và thực hiện FFT

Trên hình 4.3, ước lượng ML cho thấy độ lệch tần số được ước lượng rất chính xác trên các giá trị SNR khác nhau.

Hình 4.3: Độ lệch tần số thực và ước lượng ML với các giá trị SNR khác nhau.

Phương pháp dùng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman filter)

Bộ lọc Kalman thường được sử dụng trong lí thuyết thông tin và xử lý tín hiệu.Bộ lộc Kalman là một giải thuật đệ quy mạnh và có nhiều ứng dụng đáng kể, có thể tìm thấy dễ dàng trong các ứng dụng thông tin như là bộ cân bằng thích nghi cho kênh truyền điện thoại, bộ cân bằng thích nghi cho kênh truyền fading phân tán hay sử dụng trong hệ thống ăng-ten thích nghi Là bộ lọc đệ quy, nó có thể sử dụng trong các quá trình không dừng như truyền tín hiệu trên kênh truyền radio biến đổi theo thời gian Khi ước lượng các quá trình không dừng, bộ lọc Kalman tính toán lại các giá trị ước lượng của nó như là một phần của quá trình đệ quy, sau đó nó cập nhật những thông tin này để ước lượng cho bước tiếp theo Từ đó, quá trình ước lượng sẽ phù hợp với đặc tính thống kê thay đổi theo thời gian của quá trình ngẫu nhiên

5.1 Vấn đề về lập công thức Mô hình tĩnh của bộ lọc Kalman rời rạc cho bởi biểu thức:

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 epsilon e p s ilo n e s ti m a te d SNR]B

Trong mô hình trên, biến quan sát z(n) có mối quan hệ tuyến tính với giá trị mong muốn d(n) Sử dụng phương pháp bộ lọc Kalman rời rạc, d(n) có thể được ước lương bằng cách quan sát z(n) và giá trị ước lượng cập nhật cho mỗi vong lặp là tối ưu theo phương pháp bình phương tối thiểu (minimum mean square) Kí tự nhận được là:

Hiển nhiên là biến quan sát y(n) không có mối quan hệ tuyến tính với giá trị mong muốn ( ) Tức là:

(4.12) Để tính toán giá trị ước lượng ( ) chính xác, ta xây dựng một mối quan hệ tuyến tính xấp xỉ dựa trên phép khai triển Taylor:

(4.13) Trong đó ̂( − 1) là giá trị ước lượng của ( − 1) ̂( − 1) = ( )

(4.15) Và ta có đươc mối quan hệ:

Có dạng giống như biểu thức (4.8), tức là z(n) có mối quan hệ tuyến tính với d(n) Từ đó giá trị độ lệch tần số chuẩn hóa ( ) có thể được ước lượng bằng quá trình đệ quy tương tự như bộ lọc Kalman rời rạc.Do việc sử dụng xáp xỉ tuyến tính, bộ lọc bây giờ được gọi là bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter- EKF).Bộ lọc Kalman mở rộng tạo ra mộ đường cong cho giá trị ước lượng

( ).Sai số trong mỗi lần lặp giảm dần và giá trị ước lượng tiến gần đến giá trị lí tưởng sau một số lần lặp.Bộ lọc Kalman đã chứng tỏ khả năng của mình trong việc ước lượng trạng thái của hệ thống.Điều đó tạo niềm tin trong việc áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để giảm ảnh hưởng của ICI trong hệ thống OFDM

Trong quá trình ước lượng dùng bộ lọc Kalman mở rộng, ta đã giả sử kênh truyền là thay đổi chậm theo thời gian vì vậy đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi theo thời gian có thể xấp xỉ như quá trình dừng trong quá trình truyền một frame OFDM.Từ đó độ lệch tần số em như là hằng số đối với một frame.Các kí tự đầu mỗi frame có thể được dùng như một chuỗi huấn luyện để ước lượng độ lệch tần số tác động lên các kí tự trong cùng một frame Hơn nữa, trong quá trình ước lượng, kênh truyền được giả định là fading phẳng và bộ ước lượng kênh truyền lý tưởng được thực hiện ở máy thu

Có hai bước trong việc sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để triệt tiêu nhiễu ICI: ước lượng độ lệch và sửa lại độ lệch đó

5.4 Quá trình ước lượng độ lệch (Offset estimation scheme) Để ước lượng giá trị ( ) dùng bộ lọc Kalman mở rộng trong mỗi frame OFDM, trạng thái cân bằng được xây dựng là:

Trong trường hợp này, ta ước lượng một hằng số chưa biết theo biến quan sát x(n) bị biến dạng ở quá trình không dừng đầu tiên của frame.

Trong đó y(n) là các kí tự nhận dược đầu tiên, bị biến dạng bởi kênh truyền, w(n) là nhiễu AWGN, và x(n) là biến đổi IFFT của các dữ liệu X(k) đầu tiên được truyền đi, được biết trước ở máy thu Giả sử Np là số kí tự trong mỗi frame được dùng làm chuỗi huấn luyện và giá trị variance của nhiễu AWGN w(n) là dừng

Quá trình tính toán được miêu tà bên dưới:

1 Cho giá trị ước lượng ban đầu ̂(0) và trạng thái sai số tương ứng P(0)

2 Tính toán H(n), đạo hàm của y(n) tại ( ) = ̂( − 1), giá trị ước lượng có được trong lần lặp đầu tiên

3 Tính toán độ lợi Kalman thay đổi theo thời gian K(n) theo P(n-1), H(n) và variance

4 Tính toán giá trị ước lượng ( ) sử dụng x(n) và ̂( − 1) Từ đó tính toán sai số giữa giá trị thật y(n) và ( )

5 Cập nhật giá trị ước lượng ̂( ) bằng cách thêm K(n), trọng số sai số giữa y(n) và ( ), lên giá trị ước lượng trước đó ̂( − 1) ̂( ) = ̂( − 1) + ( ) ( ) − ( ) ( )

6 Tính toán trạng thái sai số P(n) theo K(n), H(n) và P(n-1)

( ) = [1 − ( ) ( )] ( − 1) 7 Nếu n nhỏ hơn Np thì tăng n lên 1 và lặp lại bước 2 nếu không thì dừng

Chúng ta có thể thấy là sai số thực tế giữa giá trị ước lượng ̂( ) và giá trị lí tưởng ( ) được tính toán trong mỗi lần lặp và được dùng để tính toán giá trị ước lượng trong lần lặp sau

Sau quá trình lặp đệ quy miêu tả ở trên, có thể có được giá trị ước lượng của độ lệch tần số ̂ Giá trị ước lượng này phụ thuộc vào độ lệch tần số thực tế, như thể hiện trong Hình 4.4 Phương pháp bộ lọc Kalman cho thấy sự hội tụ nhanh, dẫn đến giá trị ước lượng chính xác hơn sau mỗi lần lặp.

Hình 4.4: Ước lượng độ lệch tần số chuẩn hóa , SNR dB

5.5 Quá trình sửa sai (Offset correction scheme)

Sự méo dạng ICI tác động lên kí tự dữ liệu x(n) cũng như chuỗi huấn luyện có thể được giảm bớt bằng cách nhân kí tự dữ liệu nhận được y(n) với liên hợp phức của độ lệch tần số ước lượng được sau đó thực hiện FFT Tức là:

Việc ước lượng độ lệch tần số bằng phương pháp bộ lọc Kalman mở rộng khá hiệu quả và chính xác, ta có thể hi vọng rằng tín hiệu giờ chỉ còn chịu ảnh hưởng từ nhiễu AWGN.

Phương pháp tự triệt ICI

Phương pháp tự triệt ICI (ICI sel cancellation scheme)

Phương pháp tự triệt ICI là phương pháp được giới thiệu bởi Zhao và Sven- Gustav vào năm 2001 để chống lại và khử nhiệu ICI tác động lên hệ thống OFDM Ý tưởng chính của phương pháp này là điều chế kí tự dữ liệu đầu vào trên một nhóm các sóng mang với một hệ số biết trước sao cho tín hiệu nhiễu ICI tác động lên nhóm này tự triệt tiêu lẫn nhau, đó là ý nghĩa của tên gọi “tự triệt ICI” Đó là xuất phát điểm ban đầu của phương pháp tự triệt ICI

Để giảm thiểu nhiễu ICI, phương pháp tự triệt ICI được sử dụng, trong đó mỗi ký tự dữ liệu không còn chỉ được điều chế trên một sóng mang con duy nhất mà được điều chế trên ít nhất hai sóng mang con liên tiếp Ví dụ, nếu ký tự dữ liệu 'a' được điều chế trên sóng mang con thứ 1, ký tự '–a' sẽ được điều chế trên sóng mang thứ 2 Sự nhiễu giữa các sóng mang con này sẽ tự triệt tiêu, phù hợp với cả kênh truyền fading đa đường và fading phẳng Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm giảm hiệu suất băng thông do một ký tự dữ liệu bây giờ tồn tại trên ít nhất hai sóng mang con liên tiếp.

1.1 Điều chế trong phương pháp tự triệt ICI Sơ đồ khối của hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI được mô tả ở hình 5.1

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI

Trong hệ thống thông tin OFDM, giả sử độ lệch tần số chuẩn hóa là , tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ k có thể biểu diễn bằng biểu thức:

Trong đó là tổng số sóng mang con sử dụng, ( ) biểu hiện cho kí tự truyền đi trên sóng mang con thứ và là nhiễu cộng.Thừa số đầu tiên bên phải của biểu thức (5.1) đại diện cho tín hiệu mong muốn.Thừa số thứ hai là thành phần nhiễu ICI Chuỗi ( − ) được định nghĩa là hệ số tương quan ICI giữa sóng mang con thứ và sóng mang con thứ , được biểu diễn bởi biểu thức:

Ta có thể thấy dựa trên biểu thức (5.2), sự khác biệt giữa hệ số tương quan ICI giữa hai sóng mang con liên tiếp ( − ) và ( + 1 − ) là không nhiều Từ đó nếu cặp dữ liệu (a, -a) được điều chế trên hai sóng mang con liên tiếp thứ và thứ + 1, với a là dữ liệu phức, thì tín hiệu ICI tạo ra trên sóng mang con thứ có thể bị triệt tiêu đáng kể bởi nhiễu ICI tạo ra trên sóng mang con thứ + 1

Giả sử những kí tự truyền đi được thực hiện như sau:

(1) = − (0), (3) = − (2), … , ( − 1) = − ( − 2) Thì tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ trở thành:

(5.3) Trong trường hợp này hệ số tương quan ICI biểu diễn bằng biểu thức:

(5.4) Tương ứng tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ + 1 là:

(5.5) Ta thấy ( − ) ≪ ( − ), thể hiện trên hình 5.2

1.2 Giải điều chế trong phương pháp tự triệt ICI Để giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI hơn nữa, chúng ta thực hiện giải điều chế của phương pháp tự triệt ICI.Bộ giải điều chế hoạt động bằng cách lấy mỗi tín hiệu trên sóng mang con thứ + 1 (với là số chẵn) nhân với hệ số ‘-1’ và sau đó cộng với tín hiệu trên sóng mang con thứ Sau đó chuỗi dữ liệu kết quả này được dùng đưa vào bộ quyết định kí tự Biểu thức cho bởi:

(5.6) Hệ số tương quan ICI tương ứng trở thành:

Hình 5.2 cho ta thấy sự so sánh độ lớn của | ( − )|, | ( − )| và | ( − )| với = 64 và = 0.2 Ta thấy rằng trên phần lớn giá trị ( − ), | ( − )| nhỏ hơn nhiều so với | ( − )| và | ( − )| thậm chí còn nhỏ hơn | ( − )|

Từ đó ta thấy tín hiệu nhiễu ICI trở nên nhỏ đi khi chúng ta thực hiện điều chế tự triệt ICI.Mặt khác quá trình giải điều chế tự triệt ICI có thể giảm hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu ICI còn lại trên tín hiệu nhận tại máy thu.Sự kết hợp giữa điều chế tự triệt ICI và giải điều chế tự triệt ICI tạo thành phương pháp tự triệt ICI Đến hiện giờ chúng ta có được ba dạng khác nhau của hệ số tương quan ICI: ( − ) ứng với hệ thống OFDM cơ bản, ( − ) ứng với điều chế tự triệt ICI và

( − ) ứng với sự kết hợp điều chế và giải điều chế tự triệt ICI

1.3 Tỉ số CIR Dựa vào biểu thức (5.6), công suất trung bình của tín hiệu cho bởi biểu thức:

Trong đó X(k) có trung bình bằng không và độc lập thống kê, hàm tự tương quan của X(k) cho bởi biểu thức:

(5.9) Công suất trung bình của nhiễu cho bởi biểu thức:

(5.10) Dựa theo định nghĩa, hệ số CIR của phương pháp tự triệt ICI cho bởi biểu thức:

Hình 5.3 biểu diễn đường cong CIR của hệ thống OFDM theo phương pháp tự triệt ICI cho thấy cải thiện đáng kể so với hệ thống OFDM cơ bản Trong khoảng độ lệch tần số nhỏ đến trung bình (0 ≤ f ≤ 0,2), phương pháp tự triệt ICI làm tăng CIR lên đến 17dB, vượt trội hơn mức tăng 15dB trong toàn bộ khoảng độ lệch tần số (0 ≤ f ≤ 0,5) Kết quả này làm nổi bật khả năng cải thiện hiệu suất của OFDM bằng phương pháp tự triệt ICI.

Do sự lặp lại các kí tự, hiệu suất băng thông của phương pháp tự triệt ICI bị giảm đi một nửa Vì vậy để có được băng thông đầy đủ như trước, ta có thể điều chế nhiều bit hơn trên một kí tự truyền đi Ví dụ hệ thống OFDM sử dụng điều chế 4PSK cùng với phương pháp tự triệt ICI sẽ thu được băng thông hữu ích bằng với hệ thống OFDM chuẩn (dùng điều chế BPSK)

Hình 5.3: So sánh CIR giữa hệ thống OFDM cơ bản và hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI

Standard OFDM 20.8316 14.7462 11.1153 8.4610 6.3180 ICI self cancellation 38.4617 32.2502 28.42207 25.5169 23.0893

Bảng 5.1: So sánh CIR giữa hệ thống OFDM cơ bản và hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI.

Phương pháp tự triệt ICI khác

Dựa theo phương pháp tự triệt ICI được trình bày ở trên, một biến đổi của phương pháp tự triệt ICI được đưa ra Trong phương pháp tự triệt ICI ở trên, kí tự điều chế trên sóng mang con thứ k+1 (k là số chẵn) được nhân với một hệ số ‘-1’

Phương pháp mới có cách thực hiện tương tự nhưng sử dụng hệ số nhân khác

2.1 Điều chế Giả sử những kí tự truyền đi được thực hiện như sau:

Standard OFDM systemOFDM system using ICI self cancelation scheme

(1) = (0), (3) = (2), … , ( − 1) = ( − 2) Thì tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ k trở thành:

(5.13) Trong trường hợp này hệ số tương quan ICI biểu diễn bằng biểu thức:

(5.14) Tương ứng tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ k+1 là:

Tương tự phương pháp trên, để giảm hơn nữa ảnh hưởng của nhiễu ICI còn sót lại, bộ giải điều chế được sử dụng.Bộ giải điều chế sẽ lấy tín hiệu nhận được trên sóng mang con thứ k+1 (k là số chẵn) nhân với hệ số − , sau đó đem cộng với sóng mang con thứ k trước khi đưa vào bộ quyết định kí tự Biểu thức cho bởi:

(5.16) Hệ số tương quan ICI tương ứng trở thành:

Dựa vào biểu thức (5.16), công suất trung bình của tín hiệu cho bởi biểu thức:

(5.18) Trong đó X(k) có trung bình bằng không và độc lập thống kê, hàm tự tương quan của X(k) cho bởi biểu thức:

(5.19) Công suất trung bình của nhiễu cho bởi biểu thức:

(5.20) Dựa theo định nghĩa, hệ số CIR của phương pháp tự triệt ICI cho bởi biểu thức:

(5.22) Hình 5.4 là đồ thị so sánh CIR của các phương pháp tự triệt ICI

Hình 5.4: So sánh tỉ số CIR các phương pháp

Standard OFDM 20.8316 14.7462 11.1153 8.4610 6.3180 ICI self cancellation 38.4617 32.2502 28.42207 25.5169 23.0893 ICI self cancellation 1 26.6543 20.6251 17.0893 14.5715 12.6099

Bảng 5.2: So sánh CIR các phương pháp

Standard OFDMICI self cancelation schemeICI self cancelation scheme 1

Mô phỏng và kết quả

Các mô hình dùng trong mô phỏng

Luận văn muốn xem xét khả năng làm giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI lên hệ thống OFDM.Nhiễu ICI được tạo ra do tín hiệu được truyền đi trên kênh truyền đa đường.Có ba dạng kênh truyền được sử dụng trong mô phỏng.Đầu tiên là kênh truyền AWGN, là dạng kênh truyền đơn giản nhất chỉ gồm nhiễu cộng Dạng kênh truyền thứ hai là kênh truyền đa đường được mô hình hóa ở hình 6.1.Ở kênh truyền này nhiễu ICI được tạo ra do sự sai lệch tần số giữa thu và phát biểu diễn thông qua độ lệch tần số chuẩn hóa

Hình 6.1: Mô hình hóa kênh truyền theo độ dịch tần

Kênh truyền fading theo chuẩn ITU-R mô phỏng hệ thống WiMAX, với ba dạng chính gồm indoor, pedestrian và vehicular tương ứng với tốc độ di chuyển máy thu-phát Đối với các kênh truyền đơn giản (dạng 1 và 2), hệ thống OFDM được sử dụng để mô phỏng, được thể hiện trong hình 6.2 và 6.3.

Hình 6.2: Mô hình hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt ICI dùng để mô phỏng với kênh truyền AWGN với độ dịch tần số chuẩn hóa

Hình 6.3: Mô hình hệ thống OFDM dùng ước lượng độ dịch tần số ML dùng để mô phỏng với kênh truyền AWGN với độ dịch tần số chuẩn hóa

Chuỗi thông tin vào là các bit nhị phân đầu tiên sẽ được điều chế số Dữ liệu sau khi qua điều chế số là luồng dữ liệu nối tiếp sẽ được chuyển thành các luồng dữ liệu song song với kích thước N (N là số điểm thực hiện IFFT), sau đó sẽ được chèn thêm pilot Luồng dữ liệu X(k) này sẽ được điều chế IFFT N điểm Ta thu được x(n) theo công thức:

Khoảng bảo vệ sau đó được thêm vào để tránh nhiễu ISI của hệ thống OFDM.Kết quả x f (n) thu được theo công thức:

Tín hiệu sau đó được truyền qua kênh truyền và sẽ nhận được tại máy thu Tín hiệu sau đó được thực hiện FFT N điểm và thực hiện giải điều chế để thu lại dữ liệu số ban đầu Dữ liệu này được đem so sánh với dữ liệu gốc ban đầu để tính toán BER Đối với các mô hình kênh truyền theo chuẩn ITU-R, hai mô hình hệ thống OFDM sử dụng để mô phỏng biểu diễn trên hình 6.4 và 6.5

Hình 6.4: Mô hình hệ thống OFDM dùng phương pháp tự triệt ICI dùng để mô phỏng với kênh truyền fading với độ dịch tần số chuẩn hóa

Hình 6.5: Mô hình hệ thống OFDM dùng ước lượng độ dịch tần số ML dùng để mô phỏng với kênh truyền fading với độ dịch tần số chuẩn hóa

Hệ thống OFDM ở Hình 6.4 và 6.5 được bổ sung thêm các khối để ước lượng kênh truyền, hạn chế tác động của kênh truyền lên tín hiệu thu Pilot biết trước được chèn vào dữ liệu trước khi truyền để phía thu có thể ước lượng hàm truyền H(n) của kênh truyền, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu thu.

Với ( ) là hàm truyền ước lượng được.Thuật toán này gọi là LS (Least Square) Thuật toán này không cần biết các thông số của kênh truyền nên thuật toán có độ phức tạp thấp nhưng phương sai cao

Dựa theo phương thức truyền của hệ thống OFDM, ta có hai cách chèn pilot

Hình 6.6: Hai cách chèn pilot

Hình 6.6 cho ta thấy hai cách chèn pilot khác nhau: block pilot và comb pilot Đối với block pilot, pilot được chèn có chu kỳ theo thời gian Đối với comb pilot, pilot lại được thêm vào theo phân phối đều vào mỗi khối OFDM Với thuật toán ước lượng kênh truyền LS, luận văn sử dụng cách chèn block pilot.

Các thông số dùng trong mô phỏng

Luận văn sử dụng ba mô hình kênh truyền: trong nhà, cho người đi bộ và phương tiện Các thông số của các kênh truyền này được lấy theo tiêu chuẩn ITU-R, được sử dụng để mô hình hóa hệ thống WiMAX Bảng dưới đây cung cấp các thông số chi tiết của từng kênh truyền.

Delay (ns) Power (dB) Delay (ns) Power (dB)

Bảng 6.1: Thông số của mô hình Indoor

Bảng 6.2: Thông số của mô hình Pedestrian

Bảng 6.3: Thông số của mô hình Vehicular

Chuẩn thông số của kênh Channel B được sử dụng trong mô phỏng Hệ thống OFDM hoạt động ở tần số 2,5 GHz với băng thông 20 MHz Tín hiệu được điều chế số theo phương pháp M-QAM Dữ liệu được điều chế OFDM với 1024 điểm, trong đó 840 sóng mang thực tế mang dữ liệu và 256 sóng mang là khoảng bảo vệ Các pilot được chèn vào dữ liệu theo kiểu block và thuật toán ước lượng kênh sử dụng là LS.

Kết quả mô phỏng

Kênh truyền này là kênh truyền chỉ gồm nhiễu trắng nên hệ thống không cần khối ước lượng kênh truyền.Hình 6.7 cho ta thấy sự so sánh BER của các hệ thống OFDM trên dạng kênh truyền này.Phương pháp điều chế số dùng cho hệ thống là 4-QAM

Hình 6.7: So sánh BER các hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN

OFDM standardOFDM using ICI self cancellationOFDM using ICI self cancellation 1OFDM using frequency offset estimation

Standard 0.024244 0.013661 0.006635 0.002697 0.000945 ICI self cancellation 0.000946 0.00023 4.2e-05 6.0e-06 0 ICI self cancellation 1 0.002895 0.000935 0.000257 5.3e-05 5.0e-06 ML estimation 0.02637 0.014524 0.007211 0.003077 0.001019

Bảng 6.4: Số liệu BER của các hệ thống OFDM trên kênh truyền AWGN

Trên đồ thị cho thấy việc sử dụng phương pháp tự triệt ICI vào hệ thống OFDM làm cho BER của hệ thống tốt hơn nhiều Kênh truyền sử dụng là AWGN không có độ dịch tần số nên phương pháp ước lượng độ dịch tần số không có tác dụng trong trường hợp này, BER của hệ thống OFDM dùng phương pháp ước lượng độ dịch tần số tương tự như của hệ thống OFDM cơ bản.Giữa hai phương pháp tự ICI ta không thấy sự khác biệt nhiều lắm

Kênh truyền AWGN với độ lệch tần số chuẩn hóa:

Kênh truyền bây giờ được thêm vào ảnh hưởng của độ lệch tần số chuẩn hóa Việc tăng dần đồng nghĩa với tác động của nhiễu ICI lên tín hiệu ngày một lớn dần lên Kênh truyền AWGN ở trên có thể xem như là một dạng của kênh truyền này với = 0

Hình 6.8: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.1

Standard 0.066803 0.052124 0.040102 0.030086 0.022212 ICI self cancellation 0.011896 0.006655 0.003147 0.001334 0.000456 ICI self cancellation 1 0.011355 0.006089 0.003137 0.001493 0.000574 ML estimation 0.026421 0.014677 0.007387 0.003138 0.00105

Bảng 6.5: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền AWGN với Ɛ=0.1

Tăng dần từ 0.1 lên 0.2 rồi 0.3 làm cho BER của hệ thống OFDM cơ bản xấu đi nhiều.Điều này cũng minh chứng cho sự nhạy cảm của hệ thống OFDM khi có sự thay đổi nhỏ về tần số.Phương pháp tự triệt ICI mới phát huy tác dụng của nó khi đảm bảo BER của hệ thống tốt hơn so với hệ thống OFDM cơ bản trong khi phương pháp ban đầu không được tốt khi lớn.Phương pháp ước lượng độ dịch tần số cho thấy khả năng ước lượng chính xác độ dịch tần số giúp BER của hệ thống OFDM tốt hơn rất nhiều Hình 6.11 biểu diễn độ dịch tần số ước lượng được theo độ dịch tần số mô phỏng

Hình 6.11: Độ dịch tần số ước lượng theo độ dịch tần số thực tại SNR khác nhau Ɛ 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Bảng 6.8: Số liệu độ dịch tần số ước lượng theo độ dịch tần số thực tại SNR khác nhau

Mô hình kênh truyền Indoor theo chuẩn ITU-R được mô tả trong Bảng 6.1 với tốc độ di chuyển được chọn để mô phỏng là 1 km/h Các hình minh họa bên dưới hiển thị kết quả mô phỏng kênh truyền này.

Hình 6.12: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1

SNR 0 5 10 15 20 Standard 0.335589 0.19792 0.078072 0.017122 0.001826 ICI self cancellation 0.211944 0.080728 0.014232 0.000343 0 ICI self cancellation 1 0.244994 0.107217 0.026269 0.002369 5.1e-05 ML estimation 0.323417 0.180396 0.060911 0.008069 0.000139

Bảng 6.9: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1

Standard 0.353032 0.234075 0.13024 0.070363 0.047272 ICI self cancellation 0.218305 0.085948 0.015839 0.000532 1.0e-06 ICI self cancellation 1 0.259459 0.124913 0.04111 0.010373 0.002961 ML estimation 0.321978 0.17755 0.058948 0.007901 0.000119

Standard 0.375973 0.282604 0.204483 0.163634 0.149073 ICI self cancellation 0.227051 0.093993 0.019551 0.000901 2.0e-06 ICI self cancellation 1 0.275295 0.149022 0.067383 0.034393 0.023326 ML estimation 0.323495 0.179462 0.059233 0.008047 0.000144

Trên kênh truyền indoor với độ dịch tần số Ɛ tăng dần từ 0.1 lên 0.3, ảnh hưởng của nhiễu ICI tăng lên rất nhiều, hệ thống OFDM cơ bản bị ảnh hưởng rất nhiều, BER của hệ thống rất thấp.Phương pháp tự triệt ICI kết hợp với giải pháp ước lượng kênh truyền trên môi trường này cho kết quả tốt.Phương pháp ước lượng độ dịch tần số cũng cho BER tốt tuy không bằng phương pháp tự triệt ICI.Việc ước lượng chính xác giúp loại bỏ ảnh hưởng của độ dịch tần số, sau đó ước lượng kênh truyền sẽ làm giảm bớt ảnh hưởng của kênh truyền fading làm đáp ứng của hệ thống tốt hơn.Hình 6.15 cho thấy sự chính xác trong việc ước lượng độ dịch tần số

OFDM utilizes ICI self-cancellation to minimize inter-carrier interference This technique leverages the cyclic structure of OFDM symbols to cancel out ICI By exploiting the time-varying nature of the channel, OFDM can effectively suppress ICI without the need for complex equalization algorithms The drawback of this approach lies in the reduction of available bandwidth, as half of the system's bandwidth is sacrificed to facilitate ICI self-cancellation Despite this trade-off, the improved performance and reduced computational complexity make OFDM using ICI self-cancellation a valuable technique in various communication systems.

Hình 6.15: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Indoor Ɛ 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Bảng 6.12: Số liệu độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Indoor

Nhược điểm của các phương pháp này là giảm một nửa băng thông hữu ích Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách tăng gấp đôi số lượng sóng mang.

SNRdB thay đổi kiểu điều chế (từ 4 –QAM lên 16-QAM).Kết quả khi tăng gấp đôi số sóng mang dữ liệu cho bởi hình 6.16 và 6.17

Hình 6.16: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang

Standard 0.262734 0.122648 0.032316 0.004036 0.00026 ICI self cancellation 0.211561 0.081258 0.014236 0.00039 0 ML estimation 0.322852 0.179175 0.060421 0.00812 0.000128

Bảng 6.13: Số liệu BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang

OFDM standardOFDM using ICI self cancellationOFDM using frequency offset estimation

Hình 6.17: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang

Standard 0.327313 0.234412 0.17585 0.153206 0.1448 ICI self cancellation 0.227293 0.093432 0.019549 0.000903 3.0e-06 ML estimation 0.323414 0.180664 0.060995 0.008235 0.000133

Bảng 6.14: Số liệu BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang

Việc tăng gấp đôi số lượng sóng mang từ 420 lên 840 cho thấy hiệu quả trên kênh truyền này.Phương pháp tự triệt ICI cho đáp ứng tốt nhất.Việc tăng sóng mang đối với phương pháp ước lượng ML chỉ hiệu quả khi Ɛ lớn.Tiếp theo chúng ta sẽ xem xét kết quả khi thay đổi kiểu điều chế

Hình 6.18: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế

Standard 0.262734 0.122648 0.032316 0.004036 0.00026 ICI self cancellation 0.379026 0.264124 0.138992 0.046544 0.006766 ML estimation 0.44187 0.362017 0.244286 0.123767 0.041678

Bảng 6.15: Số liệu BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế

Hình 6.19: So sánh BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế

Standard 0.327313 0.234412 0.17585 0.153206 0.1448 ICI self cancellation 0.387092 0.27879 0.157135 0.064663 0.016744 ML estimation 0.443631 0.364938 0.247343 0.127834 0.044512

Bảng 6.16: Số liệu BER trên kênh truyền Indoor với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế

Việc thay đổi kiểu điều chế không hiệu quả.16-QAM dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do kênh truyền fading mà các phương pháp giảm nhiễu ICI không thể bù đắp nổi.Kết quả BER chỉ tốt khi SNR lớn và Ɛ lớn

Kênh truyền Pedestrian: Ảnh hưởng của kênh truyền này lên tín hiệu lớn hơn so với kênh truyền Indoor.Vận tốc di chuyển sử dụng để mô phỏng là 5 km/h.Kết quả mô phỏng biểu diễn ở các hình dưới

Hình 6.20: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1

ICI self cancellation 0.21879 0.093924 0.028146 0.008042 ICI self cancellation 1 0.251052 0.12068 0.042452 0.014127 ML estimation 0.327523 0.191301 0.08197 0.032027

ICI self cancellation 0.002154 0.000541 9.3e-05 ICI self cancellation 1 0.006103 0.003575 0.002853

Bảng 6.17: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1

ICI self cancellation 0.002236 0.000556 9.4e-05 ICI self cancellation 1 0.010138 0.006601 0.005518

ICI self cancellation 0.002459 0.000642 0.00015 ICI self cancellation 1 0.033886 0.029043 0.027434

Tương tự như kênh truyền Indoor, trên kênh truyền này, hệ thống OFDM sử dụng phương pháp tự triệt ICI là hệ thống có đáp ứng tốt nhất.Điều đó cho thấy khả năng chống lại ảnh hưởng của nhiễu ICI của phương pháp này.Phương pháp ước lượng độ dịch tần số cũng cho kết quả tốt hơn hệ thống OFDM cơ bản tại các độ dịch tần số lớn.Phương pháp ước lượng độ dịch tần số cho thấy sự chính xác của mình trên hình 6.23

Hình 6.23: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Pedestrian

Bảng 6.20: Số liệu độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Pedestrian

Cũng như đối với kênh truyền trước, ta cũng xem xét khắc phục khuyết điểm của các phương pháp bằng cách tăng số sóng mang và thay đổi kiểu điều chế.Tương tự như kênh truyền Indoor, tăng số sóng mang gấp đôi cùng phương pháp tự triệt ICI cho kết quả tốt nhất.Phương pháp ước lượng ML có BER tốt khi Ɛ lớn.Kênh truyền này nhiễu do fading lớn hơn nên việc thay đổi kiểu điều chế vẫn không hiệu quả.Các kết quả mô phỏng thể hiện trên các hình tiếp theo

Hình 6.24: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang

ICI self cancellation 0.220363 0.093618 0.028232 0.007893 ML estimation 0.327349 0.190872 0.080356 0.030434

Bảng 6.21: Số liệu BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi tăng số sóng mang

Hình 6.25: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang

Bảng 6.22: Số liệu BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi tăng số sóng mang

Hình 6.26: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế

Bảng 6.23: Số liệu BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.1 khi thay kiểu điều chế

Hình 6.27: So sánh BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế

Bảng 6.24: Số liệu BER trên kênh truyền Pedestrian với Ɛ=0.3 khi thay kiểu điều chế

Kênh truyền nay tạo ra ảnh hưởng nhiễu ICI lớn nhất với vận tốc di chuyển tương đối cao.Vận tốc dùng để mô phỏng là 40 km/h.Các hình bên dưới mô tả các kết quả thu được từ mô phỏng

Hình 6.28: So sánh BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v@km/h và Ɛ=0.1

Standard 0.345648 0.228094 0.124114 0.061386 0.032612 ICI self cancellation 0.27437 0.162314 0.075357 0.028219 0.009626 ICI self cancellation 1 0.302892 0.193103 0.100015 0.045686 0.02182 ML estiomation 0.364736 0.264233 0.164041 0.093407 0.058933

ICI self cancellation 0.003695 0.002164 0.001721 0.001575 ICI self cancellation 1 0.01405 0.01149 0.010763 0.010546 Ml estimation 0.045477 0.041082 0.039734 0.039215

Bảng 6.25: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v@km/h và Ɛ=0.1.

Bảng 6.26: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v@km/h và Ɛ=0.2.

Bảng 6.27: Số liệu BER các hệ thống trên kênh truyền Vehicular với v@km/h và Ɛ=0.3 Ảnh hưởng của nhiễu ICI trên kênh truyền này là lớn nhất, BER của các hệ thống đều xấu đi nhiều so với BER trên các kênh truyền trước.Khả năng giảm thiểu tác động của nhiễu ICI lên hệ thống của phương pháp tự triệt ICI hoạt động hiệu quả, BER của hệ thống OFDM dùng phương pháp này vẫn tốt nhất so với các hệ thống khác ngay cả khi tăng độ dịch tần số từ 0.1 lên 0.3.Phương pháp ước lượng độ dịch tần số tuy chính xác nhưng chỉ giúp loại đi ảnh hưởng của độ dịch tần số, ảnh hưởng của nhiễu ICI do kênh truyền fading không bị loại trừ nên BER của hệ thống không tốt bằng phương pháp tự triệt ICI.Độ chính xác của việc ước lượng độ dịch tần số cho trên hình 6.31

Hình 6.31: Độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Vehicular Ɛ 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Bảng 6.28: Số liệu độ dịch tần số ước lượng trên kênh truyền Vehicular

Tiêu đề	Các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống OFDM
Tác giả	Mạc Đức Dũng
Người hướng dẫn	PGS.TS. Phạm Hồng Liên
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	1,98 MB