Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 19 - 2.8 Tiền tố lặp CP(Cyclic Prefix) Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 20 - bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (T s ) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T g ) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự) Ta có T s = T g + T FFT T s Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1 T s Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM Ký tự OFDM lúc này có dạng : 1,, 1,0)( 1,, 1,)( )( Nnnx nNnx nx T (2.9) Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 21 - hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau Hình 2.9 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường : m k kk TtAth 1 )()( (2.10) Với : A k là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k T k là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian. m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường. Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM. 2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 22 - Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian. FFT T là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, G T là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số khác, win T là thời gian cửa sổ. Quan hệ giữa các thông số là: winGFFTsym TTTT (2.11) Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng. 2.9.2 Các thông số trong miền thời gian Hình 2.10 C ấu trúc tín hiệu OFDM Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 23 - Từ hình 2.10 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu sym T , thời gian FFT FFT T , thời gian bảo vệ G T , thời gian cửa sổ win T . Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.11) trở thành: GFFTsym TTT Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu) được định nghĩa bởi. sym FFT T T FSR Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có thể được dùng để tính toán thông lượng 2.9.3 Các thông số trong miền tần số Hình 2.11 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con sub N . Quan hệ giữa chúng là: fNB sub Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 24 - Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế hệ thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con sub N . 2.10 Thông lượng kênh Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua kênh mà không bị lỗi. Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu. Thông lượng kênh theo Shannon. Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau: 2 C = Blog (1+ SNR) [bps] (2.12 ) trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông. Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không Hình 2.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 25 - làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này. Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM. Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng: [bps] tb (sè bit/sãng mang con/ký hiÖu) sè sãng mang con R = thêi gian ký hiÖu (2.13) Nếu gọi R c là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N sub là số sóng mang con, T sym là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, T FFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/T FFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau: ,FSR.BMlogRTTBMlogR TfBMlogRTNMlogRR 2csymFFT2c sym2c sym sub2ctb (2.14) Từ công thức (2.14) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: tỷ lệ mã, mức điều chế, độ rộng băng và FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể của kênh. Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 26 - 2.11 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 2.11.1 Ưu điểm Nhờ tính trực giao các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác. Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công việc xử lí băng gốc. Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống. Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. Kĩ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn. Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Cấu trúc bộ thu đơn giản Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 27 - 2.11.2 Nhược điểm Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu. Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích. Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ. 2.12 Kết luận chương Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi. Tuy nhiên đồ án không tập trung tìm hiểu về COFDM mà sẽ tiến hành tìm hiểu một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM ở chương 4. . sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi. Tuy nhiên đồ án không tập trung tìm hiểu về COFDM mà sẽ tiến hành tìm hiểu một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM. và có thể được dùng để tính toán thông lượng 2.9 .3 Các thông số trong miền tần số Hình 2.11 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các. thống OFDM. 2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 22 - Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong