- TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích nghi AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CINR Carrier to interference plus noise ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu và giao thoa CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DS Delay Spread Trải trễ DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự MMSE Maximum Mean Square Error Estimation Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đại OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêu QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 2 - CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM. 1.2 Đặc tính chung Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang. 1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 3 - dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục. 1.4 Các loại Fading Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua. 1.4.1 Fading Rayleigh Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. 1.4.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp W c (Hz) xấp xỉ bằng: DW c 2/1 Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số. Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 4 - đổi phụ thuộc tần số. 1.5 Tạp âm trắng Gauss Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. 1.6 Hiện tượng Doppler Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau : c v ff 0 (1.1) Trong đó f là khoảng tần số dịch chuyển, f 0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng. Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 5 - 1.7 Kết luận chương Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và cần thiết về đặc tính kênh vô tuyến như các loại Fading, hiện tượng trải trễ, Doppler, tạp âm trắng Gauss tác động lên kênh truyền vô tuyến nói chung và trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ở kĩ thuật OFDM nói riêng. Chương 2 sẽ tiếp tục trình bày về phần kĩ thuật của OFDM để hiểu rõ vì sao OFDM có khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số và fading nhiều tia như thế nào, đồng thời sẽ tìm hiểu một số ưu điểm nổi trội khác của kĩ thuật này. Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 6 - CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM. Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 7 - Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh làm nền cho các chương sau. 2.2 Nguyên tắc của OFDM Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM). B SCM và B MCM chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, f k ,F k (f;t), NSC và f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ. Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau Nsc k kMCM tfFtfS 1 );();( (2.1) Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau SC N k kk MCMMCM SCMSCM tfFtfH tfStfHtfR tfStfHtfR 1 );();( );();();( );();();( (2.2) ở đây S SCM (f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và H k (f;t) là hàm truyền tương ứng với dải tần B k . Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của H k (f;t) được xem như là không đổi trên B k , vì vậy R MCM (f;t) xấp xỉ bằng SC N k kkMCM tfFtHtfR 1 );()();( (2.3) Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 8 - ở đây H k (f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng B k . Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM. 2.3 Tính trực giao Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao. Chương 2: Kỹ thuật OFDM - 9 - Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthogonal basic) 1,0/)( it i có tính chất sau: ki ki dttt ikk T T i 0 1 )()( 2 1 (2.4) Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 90 0 ) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không. Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây. Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ có kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau: . tăng Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 2 - CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KĨ THUẬT OFDM 1. 1 Giới thiệu chương Chương một sẽ trình bày một số đặc tính. TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số. mức thay Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - 4 - đổi phụ thuộc tần số. 1. 5 Tạp âm trắng Gauss Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền