Kỹ thuật ofdm và một vài ứng dụng trong thông tin vô tuyến luận văn tốt nghiệp đại học

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của OFDM Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệthống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích cácnhân tố ảnh h

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

GIỚI THIỆU CHUNG 12

Chương 1 TỔNG QUAN OFDM 13

1.1 Tổng quan về OFDM 13

1.1.1 Khái niệm OFDM 13

1.1.2 Lịch sử của OFDM 13

1.1.3 Mô tả định tính OFDM 14

1.1.4 Cấu trúc OFDM 16

1.2 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành 17

1.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 18

1.4 Đặc tính kênh vô tuyến di động 19

1.4.1 Mở đầu 19

1.4.2 Miền không gian 21

1.4.3 Miền tần số 23

1.4.3.1 Điều chế tần số 23

1.4.3.2 Chọn lọc tần số 23

1.5 Miền thời gian 24

1.5.1 Trễ trội trung bình quân phương 25

1.5.2 Trễ trội cực đại 25

1.5.3 Thời gian nhất quán 25

1.6 Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 26

1.6.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 26

1.6.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler 27

1.7 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 27

1.8 Phân bố Rayleigh và Rice 29

1.8.1 Phân bố pha đinh Rayleigh 29

1.8.2 Phân bố Pha đinh Rice 30

1.9 Kết luận 32

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM 34

2.1 Mở đầu 34

2.2 Tính trực giao 34

2.3 Hệ thống truyền dẫn OFDM 38

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM 38

2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 40

2.3.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 40

2.3.2.2 Tầng điều chế sóng mang con 41

2.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 42

2.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 43

2.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 45

2.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 45

2.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD 46

2.4.3 Các thông số trong miền tần số FD 47

2.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 48

2.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 48

2.5 Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục 50

2.5.1 ISI và giải khắc phục 50

2.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 53

2.5.3 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM 57

2.5.3.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông 58

2.6 Kết luận 62

Chương 3 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB - T 63

3.1 Giới thiệu 63

3.2 Tổng quan về DVB_T 64

3.3 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T 65

3.4 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 65

3.5 Lựa chọn điều chế cơ sở 67

3.6 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 67

3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 68

3.8 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 69

3.9 Kết luận 69

Chương 4 ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 71

4.1 Giới thiệu 71

4.2 Ước tính kênh bằng PSAM 71

4.2.1 Nội suy Gauss 72

4.2.2 Nội suy FFT 73

4.2.3 Nội suy Wienner 74

4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh 75

4.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không 75

4.4 Kết luận 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, trong xã hội thông tin, nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặcbiệt là thông tin di động do tính linh hoạt, di động, tiện lợi của nó Và nhu cầu

về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩavới nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng nhiều, hay nói cáchkhác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyênvốn có của thông tin vô tuyến Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến làtài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thờitiết dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhàcông nghiệp và dịch vụ viễn thông

Khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấychúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA,TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khaithác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã Tuy nhiênchưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối

ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến

Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vôtuyến là cực kỳ quan trọng Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giảipháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp củacác hệ thống di động trước đây Chu kỳ tín hiệu lớn cho phép công nghệOFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến Mặt khác OFDM

sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo choOFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu

Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành Điện tử-Viễn thông màbản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại trường Đại họcVinh Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn học hỏi được cùng với sự định

hướng của cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, đồ án đã chọn chủ đề là : "Kỹ

thuật OFDM và một vài ứng dụng trong thông tin vô tuyến Theo đó đồ án

được tổ chức thành 4 chương như dưới đây:

Chương 1: Tổng quan OFDM

Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểmcủa chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM

Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến,phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vôtuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông

số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của OFDM

Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệthống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích cácnhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫnOFDM và giải pháp khắc phục Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộlọc băng thông

Chương 3: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB - T

Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh

Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thíchứng Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với nhữngbất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF,LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác Qua đó,đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM

Chương 4 : Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh trong thông tin vô tuyến

Ước tính và cân bằng kênh luôn là một kỹ thuật vô cùng quan trọngtrong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến trước đây Thực hiện ước tính kênhchính xác sẽ xác định được trạng thái kênh hiện thời và điều này sẽ quyết địnhthành công của các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ điều chế thíchứng

Trong chương này đã trình bày phương pháp ước tính kênh bằng PSAM

và giải thuật ước tính kênh FFT, nội suy Gauss và nội suy Wienner đồng thờigiới thiệu bộ cân bằng: cân bằng cưỡng bức '0'

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các Thầy, các Cô trong khoaĐTVT đã dạy bảo em nhiệt tình trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là Cô

giáo Th.S Nguyễn Thị Minh đã hướng dẫn và chỉ bảo cho em để em hoàn

thành đồ án này

Vinh, tháng 5/2011

Sinh viên

Trần văn Hùng

DANH MỤC HèNH VẼ

Trang

Hỡnh 1.1 Cấu trỳc OFDM trong miền tần số 16

Hỡnh 1.2 Cấu trỳc kờnh con OFDM 17

Hỡnh 1.3 Tớnh chất kờnh trong miền khụng gian, miền tần số và miền thời gian 21

Hỡnh 1.4 Phõn bố xỏc suất Rayleigh trong khụng gian 30

Hỡnh 1.5 Phõn bố xỏc suất Gauss hai biến 31

Hỡnh 1.6 Phõn bố xỏc suất Rice với cỏc giỏ trị K khỏc nhau 32

Hỡnh 2.1 Dạng súng của một tớn hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số 37

Hỡnh 2.2 Hỡnh dạng phổ của tớn hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 súng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM 37

Hỡnh 2.3 Phổ tổng hợp của tớn hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 súng mang con 38

Hỡnh 2.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 41

Hỡnh 2.5 Tớn hiệu phỏt 16-QAM sử dụng mó hoỏ Gray, và tớn hiệu16-QAM truyền qua kờnh vụ tuyến, SNR = 18 đặc biệt 42

Hỡnh 2.6 Tầng IFFT, tạo tớn hiệu OFDM 42

Hỡnh 2.7 Điều chế cao tần tớn hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự 43

Hỡnh 2.8 Điều chế cao tần tớn hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 44

Hỡnh 2.9 Dạng súng tớn hiệu OFDM trong miền thời gian 44

Hỡnh2.10 Tớn hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tớn hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tõm (súng mang) 45

Hỡnh 2.11 Cấu trỳc tớn hiệu OFDM 47

Hình 2.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con

51

Hình 2.13 Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM 52

Hình 2.14 Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian 53

Hình 2.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 54

Hình 2.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI 55

Hình 2.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau 56

Hình 2.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu 57

Hình 2.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM 59

Hình 2.20 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 60

Hình 2.21 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc 60

Hình 2.22 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với  10 (b) 61

Hình 4.1 khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn kí hiệu hoa tiêu .71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 27

Bảng 1.2 Các đặc tính kênh trong ba miền 33

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa các tham số OFDM 48

Bảng 3.1.Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T 66

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AC Alternating Current Dòng xoay chiều (tần số khác ‘0’)

AM Adapting Multi-access

scheam

Thích ứng lược đồ đa truy nhập

AOFDM Adaptive Orthogonal

Frequency Division Access

Multi-Đa truy nhập phân chia theo tần số trựcgiao thích ứng

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

CINR Carrier to interference plus

Noise ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm

CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kim kênh

COFDM Coding Orthogonal

Frequency

Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoDivistion Multiplex

DAB Digital Audio Broadcast

system

Hệ thống phát thanh số

DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự

DC Direct Current Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’)

DFT Discreat Fourier

Transformation

Biến đổi Fourier rời rạc

DDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếp

DFE Decision Feed back

Equalizer

Phản hồi quyết định

DMT Discete Multi-Tone Đa tần rời rạc

DSP Digital Signal Process Xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FFT Fast Fourier

Transformation

Biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn

HDTV Hight Difinition Television Truyền hình độ nét cao

HiperLAN2 High Performance Radio

Local Area Network, WLAN standard based on OFDM, with maximum

Chuẩn WLAN của Châu Âu cho OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

data rate of 54 MbpsICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIEEE802.11aWLAN standard (U.S)

based on

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc

dộ dữ liệu tối đa là 54 MbpsOFDM, with a maximum

IQ Inphase Quadrature Đồng pha vuông pha

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu

GIỚI THIỆU CHUNG

Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến

đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin chongười dùng Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngàycàng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, côngnghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khácnhau Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng trưởng kinh

tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh Theo đó, ngày càng xuất hiệnnhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai tháctriệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môitrường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN) Tuy nhiên với

sự tăng trưởng của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạngkhông dây dung lượng lớn Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyềnthông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 hiện đang được triển khai tạinhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể

Chương 1 TỔNG QUAN OFDM1.1 Tổng quan về OFDM

1.1.1 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hoá

và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tớinhững tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại TrongOFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽchia thành các nguồn độc lập, mã hoá và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóngmang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex)

Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy,nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ởvòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòngnước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy

ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việcnhưng mà lại có những phản ứng khác nhau đối với nhiễu

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hoá bằng xe tải Ta cóhai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hoá (FDM) hoặc dùngmột đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hoánhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼hàng hoá bị mất mát

1.1.2 Lịch sử của OFDM

Khái niệm truyền dữ liệu song song bằng cách ghép kênh phân chia theotần số (FDM) được giới thiệu từ giữa những năm 60 Ý tưởng là sử dụng cácluồng dữ liệu song song và FDM với các kênh con gối lên nhau để không phải

sử dụng bộ cân bằng tốc độ cao và loại bỏ nhiễu xung, méo đa đường và tậndụng toàn bộ lượng băng thông Ứng dụng đầu tiên là trong quân sự, tronglĩnh vực viễn thông Thuật ngữ đa tần rời rạc (DMT – Discrete Multi-tone),điều chế đa kênh và điều chế đa sóng mang (MCM) được sử dụng rộng rãi vàcòn được gọi cách khác là OFDM

Với số lượng lớn các kênh con tập các bộ sinh hàm sin, bộ giải điều chếtương ứng yêu cầu trong hệ thống song song là rất phức tạp và đắt tiền Phíanhận cần biết pha chính xác của sóng giải điều chế và thời gian lấy mẫu đểgiữ cho chất lượng cuộc gọi giữa hai kênh con là chấp nhận được Weinstein

và Ebert áp dụng kỹ thuật biến đổi Fourier rời rạc (DFT) trong quá trình điềuchế và giải điều chế ở các hệ thống truyền dữ liệu song song

Vào những năm 80, OFDM được nghiên cứu sử dụng trong các modemtốc độ cao, trong di động số và ghi âm mật độ cao Một trong những hệ thống

sử dụng một tần số pilot cho sóng mang ổn định và điều khiển tần số đồng hồ,

mã hóa trellis được thực hiện Nhiều modem tốc độ cao được phát triển chomạng điện thoại

Vào những năm 90, OFDM được sử dụng trong truyền dữ liệu băng rộngqua kênh vô tuyến di động FM, đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL,1.6Mb/s), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL, 1.536 Mb/s), đườngdây thuê bao số tốc độ rất cao (VHDSL, 100 Mb/s), quảng bá audio số (DAB)

lý này

Trong hệ thống dữ liệu nối tiếp thông thường, tín hiệu (symbols) được

truyền đi một cách tuần tự với phổ tần số của mỗi tín hiệu cho phép chiếmtoàn bộ băng thông hiện có Trong hệ thống truyền dữ liệu song song nhiềutín hiệu được truyền đi cùng một thời điểm Trong OFDM, dữ liệu được chia

ra trong nhiều sóng mang gần nhau

phân chia theo tần số, nhưng không phải là kỹ thuật đa truy nhập vì không cómột đường truyền chung để chia sẻ

Toàn bộ băng thông dùng cho một nguồn dữ liệu đơn lẻ Thay vì truyềntheo cach tuần tự, dữ liệu được truyền theo cách song song Chỉ một phần nhỏ

dữ liệu được truyền đi trên mỗi kênh và bằng cách giảm tốc độ bit trên mỗikênh (không phải giảm tổng tốc độ bit), ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tựđược giảm đáng kể Theo quy tắc này nhiều cơ chế điều chế được sử dụng đểđiều chế dữ liệu với tốc độ bit thấp trên mỗi kênh

Một phần quan trọng của thiết kế hệ thống OFDM là lượng băng thôngchiếm giữ lớn hơn lượng băng thông tương quan của kênh phading Do đómột số sóng mang bị suy giảm do có phadinh đa đường thì phía thu vẫn nhận

đủ được tín hiệu cần thiết OFDM có thể ngẫu nhiên sinh ra các lỗi burst dophading Rayleigh (phadinh do sự xem kẽ của quá trình song song) Vì vậythay vì nhiều ký tự lân cận nhau bị hủy bỏ hoàn toàn , thì tín hiệu chỉ hơi bịméo Do phân chia toàn bộ băng thông kênh truyền thành nhiều kênh nhỏ, đápứng tần số qua từng kênh nhỏ riêng biệt là như nhau Vì mỗi kênh nhỏ chỉ làmột phần nhỏ của băng thông ban đầu nên bộ cân bằng đơn giản hơn so vớitrong hệ thống dữ liệu nối tiếp Một thuật toán cân bằng đơn giản có thể tốithiểu mức độ méo trên mỗi kênh con và thực hiện mã hóa vi sai có thể tránđược ảnh hưởng của các bộ cân bằng với nhau Điều này cho phép xây dựnglại chính xác toàn bộ tín hiệu ngay cả khi không có sửa lỗi trước FEC

Trong hệ thống dữ liệu song song truyền thống, tổng băng tần tín hiệuđược chia làm N băng tần con không chồng lấn lên nhau, mỗi băng tần đượcđiều chế bằng symbol riêng biệt vì vậy N kênh con được ghép kênh theo tần

số Có 3 cơ chế để tách các băng tần con:

Sử dụng bộ lọc để tách hoàn toàn các băng tần con Phương pháp này lấy

từ kỹ thuật FDM truyền thống Hạn chế của việc thực hiện bộ lọc là yêu cầubăng thông của mỗi kênh con phải bằng nhau và bằng (1 + )fm, trong đó  là

hệ số, và fm là tần số Nyquist Một nhược điểm nữa là khi số lượng kênh conlớn thì khó để có một bộ lọc thích hợp

1.1.4 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho

các băng bảo vệ và các sóng mang DC

Hình 1.1 Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gianchính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con

Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát

cho người dùng

Hình 1.2 Cấu trúc kênh con OFDM

1.2 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành

 Kỹ thuật đơn sóng mang

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di độngthế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu, song tồn tại những yêu cầukhông thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ởgiao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫnđến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộngbăng tần lớn không thực tế Mặt khác, thấy rõ

Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả

Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụcông suất lớn

Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với phađinh và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao Ởcác phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữliệu truyền cao thì kéo theo độ rộng tín hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độrộng tín hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần

số và gây ISI cho tín hiệu thu Đây là một nhược điểm chính khiến các hệthống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữliệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc

độ dữ liệu cao

 Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do

đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trướcđây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóngmang

1.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điềuchế có thể thay thế cho CDMA OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệthống CDMA và cung cấp phương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G

Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiềusóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang connày song song Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồngtốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con

OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh phađinh chọn lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng Vì vậy, OFDM làgiải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh Thuận lợi này củaOFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng

Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoálỗi cụm (do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau

bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo

Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tínhiệu số và công nghệ vi mạch VLSI.

 Nhược điểm

OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ daođộng nội phát và thu Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảmvới kênh truyền có dịch Doppler lớn

Vấn đề đồng bộ thời gian Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắtđầu của ký hiệu FFT

1.4 Đặc tính kênh vô tuyến di động

1.4.1 Mở đầu

Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông cótầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyềndẫn và dung lượng Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phảicác hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênhđược đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thốngđiều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứngđúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắnhạn thậm chí tức thời của kênh

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môitrường vô tuyến Các yếu tố này là:

Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy

hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách

Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm

tín hiệu

Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ

làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vàobăng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu

và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference)

Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận

khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổsung

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng"

và "pha đinh phạm vi hẹp" Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giácông suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát.Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộngđược sử dụng Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyềnsóng khoảng cách xa Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng

vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn haytrên cự ly di chuyển ngắn Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyềnsóng đa đường

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi

từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối vớicác vị trí khác nhau Hình 1.3(a) cho thấy rằng trong miền không gian, mộtkênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau

Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và

pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc không gian [1] Hình 1.3(b)

cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khácnhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và phađinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số Hình 1.3(c) cho thấy rằngtrong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khácnhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian)

và pha đinh do nó gây ra là pha đinh phân tập thời gian Dựa trên các đặc tínhtrên có thể phân chia pha đinh kênh thành: pha đinh chọn lọc không gian (phađinh phân tập không gian), pha đinh chọn lọc tần số (pha đinh phân tập tầnsố), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian) Chương này sẽ xét cáctính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số

Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụngchúng trong các giải thuật điều chế thích ứng của mình.

1.4.2 Miền không gian

Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền vàchọn lọc không gian Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộngcòn chọn lọc không gian thuộc loại pha đinh phạm vi hẹp Các mô hìnhtruyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảngcách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền.Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ cácđặc tính ngẫu nhiên Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phântập không gian)

 Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát vàanten thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác Một

số mô hình xét chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đómột số chỉ xét tần số và khoảng cách Chiều cao anten là một thông số quantrọng Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ

Hình 1.3 Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số

và miền thời gian

trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trườngtrong nhà, a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máythu đến máy phát.

Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bìnhgiảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trongnhà Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vịtrí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh mộtgiá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét cả sự thay đổi theo vịtrí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:

d PL dB d PL

Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong mộtkhoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đốivới một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các

vị trí khác nhau Nói một cách khác, pha đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượngtrong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian)

Từ phương trình 1.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giáthống kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên Ảnh hưởng ngẫunhiên xẩy ra do pha đinh phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện chotính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian) Ảnh hưởng của chọn lọc khônggian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten MIMO (MultipleInput Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phéplợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dunglượng hệ thống

Trong đó  là tốc độ của MS,  là bước sóng,  là góc giữa phươngchuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần sốsóng mang Từ phương trình cho trên thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tớidịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời

xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm Vì thế các tínhiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tầntín hiệu Khi  và (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trảiDoppler

thông số điều chế Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ Pha đinhchọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng Trong cùng một kênh pha đinhphẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnhhưởng của pha đinh Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh

vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiềuhơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này Nếu băngthông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền quakênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc (phân tập tầnsố) Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu

1.5 Miền thời gian

Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vôtuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian Có thể môhình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xungkim thay đổi theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đápứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian Có thể liên hệ quátrình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kimcủa kênh vô tuyến di động Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu vàh(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thờigian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim củakênh như sau:

nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau Vì vậy tín hiệu tại anten thuchịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng Khi thiết kế và tối ưu hóacác hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạnày.

Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội, trễ trội trung bình hay trễ trộitrung bình quân phương

1.5.1 Trễ trội trung bình quân phương

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quânphương (RDS: Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trungtâm của lý lịch trễ công suất RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh Vìthế được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu(ISI)

2

1.5.3 Thời gian nhất quán

Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán Thời giannhất quán xác định đặc tính "tĩnh" của kênh Thời gian nhất quán là thời gian

mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, được ký hiệu

là Tc Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian nhất

quán chịu ảnh hưởng pha đinh như nhau Vì thế nhận được một kênh pha đinhkhá chậm Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhấtquán sẽ bị ảnh hưởng pha đinh khác nhau Khi này kênh pha đinh khá nhanh.Như vậy dưới tác động của pha đinh nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽchịu tác động pha đinh lớn hơn các phần khác Đồ án sẽ nghiên cứu thuộc tínhnày để phát triển giải thuật điều chế thích ứng của mình Bằng cách thiết lậpgiá trị cho một thông số nhất định, sẽ nhận đựơc kênh pha đinh chậm thay vìkênh pha đinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn.

1.6 Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau

Đồ án đã chỉ ra các đặc tính kênh và các thông số của nó trong các miềnkhông gian, tần số và thời gian Các đặc tính này không tồn tại độc lập nhau

mà có quan hệ mật thiết giữa các miền xét Một số thông số trong miền nàyảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác

1.6.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương

Thấy rõ, lý lịch trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến

di động quan hệ với nhau qua biến đổi Fourrier Vì thế, có thể trình bầy kênhtrong miền tần số bằng cách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó.Tương tự như các thông số trải trễ trong miền thời gian, ta có thể sử dụngbăng thông nhất quán để đặc trưng kênh trong miền tần số Tuy trải trễ trungbình quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông nhất quán và ngược lại, songquan hệ chính xác của chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đa đường.Nếu ký hiệu băng thông nhất quán là BC và trải trễ trung bình quân phương là

, thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thông nhất quán cóquan hệ sau đây với trải trễ trung bình quân phương:





 50 1

Cho thấy hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, nên chỉ cần xétmột thông số trong quá trình thiết kế hệ thống.

1.6.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler

Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông

số kênh trong miền thời gian và có tính đối ngẫu với trải Doppler Trải Doppler

và thời gian nhất quán là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau Nghĩa là:

D C B

1

Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ

1.7 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ kýhiệu,…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler,

…), mà xác định loại pha đinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đađường và pha đinh chọn lọc tần số Trải trễ đa đường là một thông số trongmiền thời gian, trong khi đó việc kênh là pha đinh phẳng hay chọn lọc tần sốlại xét trong miền tần số Vì thế thông số miền thời gian, trải trễ đa đường,ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số Trải Doppler dẫn đến tán tần

và pha đinh chọn lọc thời gian, vì thế dựa vào trải Doppler để phân loại phađinh phạm vi hẹp thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm Trải Doppler làmột thông số trong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi nhanhhay chậm lại thuộc miền thời gian Vậy trong trường hợp này, trải Doppler,thông số trong miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền thời gian.Biết được các quan hệ này sẽ trợ giúp trong quá trình thiết kế hệ thống Bảng1.1 liệt kê các loại pha đinh phạm vi hẹp

Bảng 1.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Pha đinh chọn lọc tần số B S >B C ; T<10 

Pha đinh chậm T<<T C ; B S >>B D

Các ký hiệu được sử dụng trong bảng 1.1 như sau: BS ký hiệu cho độrộng băng tần tín hiệu, BC ký hiệu cho băng thông nhất quán, BD ký hiệu chotrải Doppler, T ký hiệu cho chu kỳ ký hiệu và  trải trễ trung bình quânphương

Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tầntín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng Khi này chu kỳ ký hiệu lớnhơn nhiều so với trải trễ đa đường của kênh Ngược lại, nếu băng thông nhấtquán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinhchọn lọc tần số, khi này chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa đường kênh Khi

đó, tín hiệu thu bị méo dạng dẫn đến nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI).Ngoài ra việc lập mô hình các kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơnnhiều so với lập mô hình kênh pha đinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênhpha đinh chọn lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến tính Vì thế ta cần cố gắngchuyển vào kênh pha đinh phẳng cho tín hiệu truyền dẫn Tuy nhiên do khôngthể thay đổi trải trễ đa đường hay băng thông nhất quán, nên chỉ có thể thiết

kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu để đạt được kênh pha đinhphẳng Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiện hiệu năng truyền dẫn, cầnchọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích ứng để đạt đượckênh pha đinh phẳng thay vì kênh pha đinh chọn lọc

Dựa trên trải Doppler, để phân loại kênh thành pha đinh nhanh và phađinh chậm Nếu đáp ứng xung kim kênh (trong miền thời gian) thay đổi nhanhtrong chu kỳ ký hiệu, nghĩa là nếu thời gian nhất quán kênh nhỏ hơn chu kỳ

ký hiệu của tín hiệu phát, kênh sẽ gây ra pha đinh nhanh đối với tín hiệu thu

Điều này sẽ dẫn đến méo dạng tín hiệu[1] Nếu đáp ứng xung kim kênh thay

đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây rapha đinh chậm đối với tín hiệu thu Trong trường hợp này kênh tỏ ra tĩnh đốivới một số chu kỳ ký hiệu Tất nhiên ta muốn có pha đinh chậm vì nó hỗ trợchất lượng truyền dẫn ổn định hơn Ta không thể xác dịnh Doppler khi thiết

kế hệ thống Vì thế, khi cho trước trải Doppler, ta cần chọn độ rộng băng tần

tín hiệu (băng thông sóng mang con) trong giải thuật điều chế thích ứng đểnhận được kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh Như vậy ta sẽđạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn.

1.8 Phân bố Rayleigh và Rice

Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Rayleigh

và Rice được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian củatín hiệu pha đinh phẳng Trong phần này đồ án sẽ xét các phân bố này và đưa

ra các đặc tính cơ bản của chúng

1.8.1 Phân bố pha đinh Rayleigh

Có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng haitín hiệu phân bố Gauss vuông góc Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bốpha đinh Rayleigh được biểu diễn như sau:

0

r 0 , e

r r

p

2 2

2 r

Trong đó r là điện áp đường bao tín hiệu thu,  là giá trị trung bình quânphương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss,  là công suất trung bìnhtheo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss

Giá trị trung bình, rtb, của phân bố Rayleigh trở thành:

         



253 , 1 2 dr

r rp r

E r

0 tb

(1.11)Phương sai của phân bố Rayleigh, 2

2

2

2 2

dr r p r r E r

1 exp C

2

1 x

Trong đó x là vector ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx là vectorgiá trị trung bình của vector x, Cx là ma trận đồng phương sai Hàm phân bốGauss một biến giá trị thực sẽ có dạng:

2

m x exp 2

1 x

Hàm phân bố Gauss cho vector hai chiều được cho trong hình 1.4

1.8.2 Phân bố Pha đinh Rice

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị pha đinh) vượt trội,đường truyền trực tiếp (LOS), phân bố đường bao pha đinh phạm vi hẹp códạng Rice Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máythu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này

Hình 1.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian,

Phân bố Rice được biểu diễn như sau:

0

0 r , 0 A , Ar I e

r r

A r 2

2 2 2

(1.15)

trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu trội và I0(.) là hàm Bessel cải tiến loại

một bậc không được xác định như sau:    

Hình 1.5 Phân bố xác suất Gauss hai biến

số và thời gian như cho ở bảng 1.2 Đặc tính kênh trong miền không gian liênquan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng và thăng giáng ngẫu nhiên phạm

vi hẹp do truyền đa đường Việc pha đinh chọn lọc không gian mang tínhngẫu nhiên và khó lập mô hình dẫn đến tình trạng không rõ ràng khi thiết kế

hệ thống và khó tăng cường chất lượng hệ thống Tuy nhiên công nghệ truyềndẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép giải quyết vấn đề này.MIMO có thể chuyển bất lợi của truyền sóng đa đường thành có lợi

Hình 1.6 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau,

Bảng 1.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian

Miền không gian Miền tần số Miền thời gian Thông số d;

Thăng giáng ngẫunhiên

c D

T B

 1

 

Nhược

điểm

Chọn lọc không gian Chọn lọc tần số Chọn lọc thời gian

Mục đích Lợi dụng đa đường Pha đinh phẳng

(T)

Pha đinh chậm(BS>>BD)

Chú thích d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple

Output; BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán củakênh xét cho trường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ

ký hiệu; : trải trễ trung bình quân phương; TC: thời giannhất quán của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát

Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băngnhất quán (xem bảng 1.2) Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhấtquán và trải trễ trung bình quân phương Trải Doppler gây ra do chuyển độngtương đối giữa MS và BTS Các thông số này có thể dẫn đến pha đinh chọnlọc thời gian (hay phân tập thời gian) trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ

lệ nghịch với thời gian nhất quán của của kênh.Trải trễ xẩy ra do trễ đađường Độ rông băng nhất quán của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bìnhquân phương Vì thế trải trễ trung bình quân phương có thể dẫn đến pha đinhchọn lọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số OFDM đưa ra giảipháp cho pha đinh chọn lọc tần số vì nó có thể chuyển pha đinh chọn lọc tần

số vào pha đinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trungbình quân phương Ngoài ra thích ứng đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọcthời gian trong miền thời gian, vì nó hầu như luôn luôn làm cho độ rộng băngtín hiệu phát lớn hơn nhiều so với trải Doppler bằng cách thay đổi các thông

số của hệ thống truyền dẫn theo các thông số kếnh

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM

2.1 Mở đầu

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyếntính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra Nguyên lý củaOFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con

và truyền đồng thời trên các sóng mang này Theo đó, luồng số tốc độ caođược chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởngcủa trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinhphẳng Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh phađinh trong miền tần số Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con vớicác sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồngnghĩa với tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệucàng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trảirộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tínhiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh

Theo đó chương này trước hết, đồ án trình bầy nguyên lý hoạt động củamột hệ thống điều chế OFDM Sau đó xét các thông số hiệu năng của nó.Cuối cùng xét ảnh hưởng của các thông số kênh truyền sóng lên dung lượngcũng như chất lượng truyền dẫn của hệ thống OFDM

2.2 Tính trực giao

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng conchồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việcxếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến

ta không những đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần được cấp phát cao mà còn

có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi màkhi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệthống được cải thiện đáng kể So với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần

số FDM truyền thống, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng cácbăng con không những không được phép chồng lấn nhau mà còn phải dànhkhoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu)

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cáchkhác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần

số (ICI) và thời gian (ISI) Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyềndẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con Vì vậy ta kết luậnrằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyềndẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phía thu vẫn tách chúng rađược, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tầndụng tối đa ưu việt của VLSI [2]

Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tínhtrực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tínhtrực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cầnthiết để đảm bảo tính trực giao

j i ,

1 dt t s t s T

1 t T

t

* j i

N , 2 , 1 k , e

t

s

ft k 2 j k



1

f 

 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu,

N là số các sóng mang con và N.f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thờigian

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tínhiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệuOFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang.Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyênlần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là sốnguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trực giao vớinhau

Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình2.1 Trong đó, (2.1.1a), (2.1.2a), (2.1.3a) và (2.1.4a) thể hiện các sóng mangcon riêng lẻ, với tần số tương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz Pha ban đầu của toàn

bộ các sóng mang con này là 0 (2.1.5a) và (2.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDMtổng hợp của 4 sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện mộtcách tường minh ở hình 2.2 Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang concủa OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x) Dạng sinc có đườngbao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trungtâm Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứngvới giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác Hình 2.2 cho ta thấy vớicùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần củaOFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống

Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minhhoạ ở đường màu đen đậm trên hình 2.3

Hình 2.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian

và tần số

Hình 2.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng

mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM

2.3 Hệ thống truyền dẫn OFDM

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:

NÕu

0,

T T kT

T là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

Twin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ

f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

N là độ dài FFT, số điểm FFT

k là chỉ số về ký hiệu được truyền

Hình 2.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở

với 5 sóng mang con

i là chỉ số về sóng mang con, i{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, …., -N/2}

xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu, rỗng)

điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k

w(t) xung tạo dạng được biểu diễn như sau:

FFT

wi n FFT

FFT G

G G

win

wi n G

T T

t T

, T T

t π cos 1

2

1

T t T

1 ,

T t

T T

, T T

t π cos 1

trong đó các hệ số Fourier phức thể hiện các vectơ của chùm tín hiệu phức

còn nf0 thể hiện các sóng mang con i/TFFT Trong hệ thống số, dạng sóng này

có thể được tạo ra bằng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Chùm số liệu

xi,k là đầu vào IFFT và ký hiệu OFDM miền thời gian là đầu ra

Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế vô tuyến được xác định như sau:

NÕu ,

0

T T

kT t

T T

kT

, kT t

T 1 f

2 j exp x

kT t

w Re kT

t

1 2 / N 2 / N

c k

, k

,

RF

(2.8)

Trong đó fc là tần số sóng mang RF [1]

2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 2.4 trình bầy sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM điển hình Theo

đó, dưới đây trình bày vắn tắt chức năng các khối

Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang

con Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng làcác điểm rời rạc Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT)chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuynhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì

nó tính hiệu của nó Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tầnlên tần số truyền dẫn vô tuyến

Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó trước

hết, trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT đểphân tích tín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và phacủa các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trởlại thành dữ liệu số ban đầu

2.3.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành

dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000bit Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phươngpháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chếsóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệthống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi kýhiệu sẽ là 400 Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu

từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp banđầu