Kỹ thuật OFDM và ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

LỜI NÓI ĐẦUViệc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoOFDM được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểmchính như: cho phép truyền dữ liệu tốc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Đồ án này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểucác nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em

là hoàn toàn tin cậy Nội dung của đồ án này được tổng hợp từ các tài liệutham khảo được liệt kê ở cuối đồ án Em xin cam đoan đồ án này không hoàntoàn giống với các công trình nghiên cứu cũng như các đồ án trước đây

Vinh, ngày 14 tháng 5 năm 2011

Người thực hiện

Nguyễn Huy Hoàng

2

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 6

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

DANH MỤC HÌNH 8

DANH MỤC BẢNG 10

CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 13

1.1 Mở Đầu 13

1.2 Khái niệm OFDM 14

1.3 Nguyên lý OFDM 15

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 16

1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) 18

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM 21

1.7 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 25

1.7.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 25

1.7.2 Các thông số trong miền thời gian 25

1.7.3 Các thông số trong miền tần số 26

1.7.4 Thông lượng kênh 26

1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM 27

1.9 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 28

1.10 Kết luận 29

Chương 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 30

2.1 Mở Đầu 30

2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 30

2.3 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) 30

2.4 Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading) 32

2.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng 33

2.6 Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter) 35

2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) 36

2.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time)

38 2.9 Kết luận 40

Chương 3: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM .41

3.1 Mở Đầu 41

3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 42

3.2.1 Nhận biết khung 43

3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 44

3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM 46

3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 47

3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM 48

3.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM 53

3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 53

3.5 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 54

3.5.1 Điều chế BPSK 55

3.5.2 Điều chế QPSK 56

3.5.3 Điều chế QAM 58

3.5 Kết luận 60

Chương 4: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM 61

4.1 Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX 61

4.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 61

4.1.2 Đặc điểm 61

4.1.3 OFDMA nhảy tần 62

4

4.1.4 Hệ thống OFDMA 64

4.1.5 Điều khiển công suất 70

4.2 Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T 71

4.2.1 Tổng quan về DVB_T 71

4.2.2 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T 74

4.2.3 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 74

4.2.4 Lựa chọn điều chế cơ sở 75

4.2.5 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 76

4.2.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 79

4.2.7 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 80

4.3 Kết luận 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

LỜI NÓI ĐẦU

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểmchính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc

độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chốnglại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điềuchế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính vì thế, OFDM ngàycàng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internetkhông dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làmchuẩn cho hệ thống phát thanh số Do đó OFDM đang trở thành công nghệđược chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây diđộng sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sửdụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệthống OFDM Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứngdụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax)

và các ứng dụng khác, vì vậy em đã chọn đồ án “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng” Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết

những vấn đề tồn tại của hệ thống này

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung vàphát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm Em xin chân thành

cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện tử viễn thông, đặc biệt là thầy ThS Đặng Thái Sơn đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Vinh, tháng 5 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Huy Hoàng

6

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một kỹthuật hiện đại cho truyền thông Đây là kỹ thuật hết sức mới mẻ, việc nghiêncứu và ứng dụng OFDM đang trong giai đoạn khẩn trương Trong đó, nhữngvấn đề kỹ thuật là các đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất Đồ án

“Kỹ thuật OFDM và ứng dụng” này chỉ tìm hiểu một số vấn đề kỹ thuật

chính trong hệ thống OFDM

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm

và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa chọn tần

số, dịch Doppler, nhiễu AWGN Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây

nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM.

Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM

Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng

bộ trong hệ thống OFDM Tìm hiểu các kĩ thuật đồng bộ, tỷ số PAPR cũngnhư các ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu trong hệ thốngOFDM

Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật OFDM

Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bậtcủa kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua đó chúng ta có thểthấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tínhiệu nói chung và ứng dụng

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) 13

Hình 1.2 Sóng mang OFDM(N=4) 15

Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 15

Hình 1.4 Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số 17

Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 19

Hình 1.6 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu 21

Hình 1.7 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 23

Hình 1.8 Phổ của bốn sóng mang trực giao 24

Hình 1.9 Phổ của bốn sóng mang không trực giao 24

Hình 1.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM 25

Hình 1.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 26

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 32

Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số 23

Hình 2.3 Hiệu ứng Doppler 36

Hình 2.4 Phổ công suất Doppler 38

Hình 3.1 Các quá trình đồng bộ trong OFDM 42

Hình 3.2 Pilot trong gói OFDM 50

Hìmh 3.3 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 51

Hình 3.4 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC 52

Hình 3.5 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 56

Hình 3.6 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 58

Hình 3.7 Chùm tín hiệu M-QAM 59

Hình 4.1 ODFM và OFDMA 61

Hình 4.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 62

Hình 4.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c 63

đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian 63

8

Hình 4.4 Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 63

Hình 4.5 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 64

Hình 4.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 65

Hình 4.7 OFDMA downlink 65

Hình 4.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink 66

Hình 4.9 OFDMA uplink 66

Hình 4.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink 67

Hình 4.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian 68

Hình 4.12 Điều chế thích nghi 70

Hình 4.13 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 73

Hình 4.14 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 73

Hình 4.15 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 74

và phổ tín hiệu RF thực tế 74

Hình 4.16 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM 76

Hình 4.17 Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4 .76

Hình 4.18 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 77

Hình 4.19 Phân bố các pilot của DVB-T 78

Hình 4.20 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 78

Hình 4.21 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 79

Hình 4.22 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ 80

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 24

Bảng 4.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T 62

10

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOFD

M Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích nghiAWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

AM Asynchronous Transfer Mode Điều chế biên độ

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

COFDM Coded OFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai

CINR Carrier to interference plus noise ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu vàgiao thoaCIR 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

ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình sốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FDM Frequency Division multiplex Ghép kênh phân chia theo tần sốFIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn

HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải caoICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanhISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tựWiMAXWorldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu

Microwave Access với truy nhập vi ba

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Furrier rời rạc ngượcMMSE Maximum Mean Square Error Estimation Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đạiOFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoOFDM

PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêuQAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phươngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

12

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM1.1 Mở Đầu

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là mộttrường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Changphát 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 màphía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệulàm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹthuật điều chế thông thường Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăngsức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng caohiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song songvới tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp

Hình 1.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớncác kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như làkhông đổi trong kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành nhữngluồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con

khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ởđầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol(ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật hệ thống OFDM có thể đạtđược tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụngphổ cao.

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống,

băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh

con được ghép kênh tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổcủa những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuynhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệusuất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệusong song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang

tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện

tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như

sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệthống không dây như IEEE802.11(Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phátquảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chấtlượng cao (HDTV)

1.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMphân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóngmang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là cómột số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mangbằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

14

Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung

Hình 1.3 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mangkhông chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng

kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50%băng thông.Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cầntriệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phảitrực giao với nhau

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multipleinformation ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênhtruyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việcmất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệumang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôiphục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tínhiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang

kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóngmang con: f n (t), n=0, 1, , N −1, t1 tt2 Tập sóng mang con này sẽ trựcgiao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM,

tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:

) 2 exp(

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểuthức (1.1) ta có:

1

/ ) (

2 exp )

( ).

T t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) ( 2 exp /

) ( 2

T t t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) )(

( 2 exp 1 / ) ( 2

Khi n = m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt

được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tínhiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hìnhthành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con.Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảokhoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu

kỳ trong mỗi symbol

Hình 1.4 Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các

tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời giansymbol, = 0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc (

 fT) Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ cóbiên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnhtại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng vớicác giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được táchbằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a, mà lànhững mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ.Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa cácsubcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng vớigiá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa cácsubcarrier

1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênhtruyền, kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượnglớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toánhọc rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete

Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên

tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thểđạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thựchiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) vàFFT Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con đượcđiều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên

độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i là các

chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời

18

symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t s có thể

được viết như sau [13]

T t t t

t T

i f j d

t

N

N i

s c

N i

2

2 / exp 2 0,5 ( ) , tRe

)

T t

s( )  0 , t  t s và t  t s 

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

T t t t

t T

i j d

t

N

N i

s N

2

2 / exp 2 ( ) , t )

T t

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại

bỏ thành phần tần số cao f c , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với

các liên hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang

Serial

to parrellel

OFDM signal

) / ) (

exp(  j  N s t  t s T

)/))(

2(

exp(j N s  t  t s T

con thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân

với hệ số T), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không

bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời

symbol T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không

s N

i s

t t T

l j

1 2

2

2

) ( 2

T d dt t t T

l i j

s

s

s s

s N

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn

so với biến đổi Fourier ngược của N s symbol QAM ngõ vào Lượng thời gianrời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở

(1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n.

2 exp )

N

in j d

thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng cóthêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộnhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến

đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có (N/ 2 ) log2(N)

phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số 4 thì chỉ cần ( 3 / 8 ) log2(N 2 )

phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là

do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn chođến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm

20

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành songsong, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thànhphần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miềnthời gian, đưa lên tần số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thờigian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm

vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số,sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI (intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra

do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tínhiệu trước đó

Hình 1.6 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection)đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảngthời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/cs/ckhoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫutín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI

là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảngthời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệthống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ

tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệkhó triệt tiêu hết ISI Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đườngtruyền thẳng Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấyđường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả.

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là

nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thôngcho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phươngthức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóngmang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ

thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc

độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbolthấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra dotruyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bịphản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng,núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khácnhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao cácsymbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cáchthêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo

vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol.Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng củakênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gâynhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol củatín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảngthời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu

kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên

ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 1.7 minh họa việc chèn thêmkhoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: T s T G T FFT với T s là

22

chiều dài tổng cộng của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T FFT làkhoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM.

Hình 1.7 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổnđịnh trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giaonhau Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang

con sẽ không có dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị

phổ cực tiểu của sóng mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà nhữngsóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang(ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồtrong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗisóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồmiền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần sốtrung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mangkhác Hình 1.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số chotrường hợp trực giao

Hình 1.8 Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trịcủa sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác

Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lầnlặp khoảng FFT Hình 1.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM.Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóngmang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tựOFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũnggây ra ICI đến một ký tự OFDM

Hình 1.9 Phổ của bốn sóng mang không trực giao

24

1.7 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM

1.7.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM

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, T Glà thời gian bảo vệ Cũng thấycác thông số khác, T win là thời gian cửa sổ Quan hệ giữa các thông số là:

win G FFT

Hình 1.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranhgiới ký hiệu và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số Loại cửa sổ được dùngphổ biến là loại cửa sổ cosine tăng

1.7.2 Các thông số trong miền thời gian

Từ hình 1.10 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu

kỳ ký hiệu T sym, thời gian FFT T FFT, thời gian bảo vệ T G, thời gian cửa sổ

win

T Nếu không tính đến thời gian cửa sổ:

G FFT

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thờigian và có thể được dùng để tính toán thông lượng

1.7.3 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 tầnsóng mang con f và số sóng mang con N sub Quan hệ giữa chúng là:

f

N

Hình 1.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con

Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chếtrước khi thiết kế hệ thống Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông sốOFDM trong miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóngmang con f và số sóng mang con N sub

1.7.4 Thông lượng kênh

Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyềnđược qua kênh mà không bị lỗi Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bềrộng 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 xácđịnh bằng công thức sau:

2

C = Blog (1 + SNR) [bps]

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 thíchnghi theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thờiđiểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Vì thế cần biết

26

cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tìnhtrạng kênh ở thời điểm xét Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dunglượng kênh này.

+ Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM: Xét trường hợp cấu hìnhcác sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều cóchung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…) Khi này tốc

độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:



tb

(sè bit / sãng mang con / ký hiÖu) sè sãng mang con

thêi gian ký hiÖu

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym

là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu,

TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ

số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác địnhnhư sau:

N M log R

R

2 c sym FFT 2

c

sym 2

c sym sub 2

c tb

1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau:+ OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấpnhững sóng mang con

+ Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳngbăng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơnnhững hệ thống sóng mang đơn

+ OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóngmang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗisymbol.

+ Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thốngOFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọntần số của các kênh

+ Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênhthích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

+ Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giảiđiều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM

+ Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránhyêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh

+ OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timingoffsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn

+ OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp

bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệuOFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyênđiều chế Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từanalog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệucũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoàibăng

28

+ OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệthống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phứctạp hơn hệ thống sóng mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu chocác sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt độngcủa các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là mộttrong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM.

1.10 Kết luận

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trongchương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chếthuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹthuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thốngOFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trênnguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễdàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ

Chương 2 ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

2.1 Mở Đầu

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóngmột vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống.Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ranhững ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹthuật sửa lỗi ngày càng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật đểhạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựngnhững mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý

2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)

Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ,nhiễu xạ, tán xạ,… và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệunhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnhhưởng như:suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đađường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss)

Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọihướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây…và do phản xạ từmặt đất.Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rấtchậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao

2.3 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation)

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng(nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Khi chúng ta dùng anten địnhhướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưngmật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vìthế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

30

Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong khônggian tự do:

G P

P R T T R





(2.1)Trong đó:

P R là công suất thu được (Watts).

P T là công suất phát (Watts)

G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met.

Hoặc ta có thể viết lại là:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

R h

h G

G

L pl   10 log T  10 log R  20 log BS  20 log10 MS  40 log (2.4)

Trong đó h BS , h MS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

2.4 Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading)

Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên nhưđồi núi Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suyhao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi Sự thay đổi trong suyhao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bướcsóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng

của tín hiệu RF Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi

là fading chậm

Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xungquanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đườngtruyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau Nếu chúng ta truyền một xung

RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình

2.1 Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy haođường của đường đó Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễđường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu Mỗi một tín hiệu đa đường

sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau.Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặcsuy giảm Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tínhiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha vàtăng cường lẫn nhau

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

1 5

2.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng

Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là

do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số Phathu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với

số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát Bước sóng tỷ lệ nghịchvới tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần

số Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy

sự thay đổi pha cũng khác nhau Hình 2.2 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn haiđường Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là

hướng phản xạ khoảng cách 25m Đối với Hình 2.1: Phổ Doppler (fc – fm) fc

(fc + fm) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng và pha thay

đổi từ phía phát đến phía thu là 00 cho mỗi đường Ở tần số này, hai đường sẽtăng cường lẫn nhau Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0, 9m thìđường một sẽ có 10/ 0, 9 = 11, 111λ hay có pha là 0, 111× 3600 = 400, trong khiđường thứ hai có 25/ 0, 9 = 27, 778λ, hay có pha là 0, 778× 3600 = 2800 Điềunày làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này

Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số

Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu

bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh

có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó Băng thôngCoherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh Đường biểu diễn của hai tínhiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn

hơn độ rộng băng thông Coherent B c của kênh Băng thông Coherent có thể

Mặt phản xạ

 Bộ phát

 Bộ thu 17m

8m

10 m

Đường 1 Đường 2

được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi

Δff Hz và Δft giây Hệ số đường bao kết hợp là:

2 2

2 0

) 2 ( 1

) 2 ( )

, (

với J 0 là hàm Bessel bậc không, f m là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ

của kênh Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trongcác môi trường khác nhau

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δtt

thành không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thôngΔtf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớnnhất của nó

5 , 0 )

2 ( 1

1 )

0 ,

Bên trong các toà nhà < 0, 1 μssKhu vực ngoài trời < 0, 2 μss

34

thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó là khôngđáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay đổi.

Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so vớibăng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu

có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọntần số Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thờigian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian củasymbol được phát Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng củaxung phát cũng bị thay đổi Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn

là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thườnggây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lậpvới băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộcvào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụthuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vôtuyến thời gian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗisymbol dữ liệu bị trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiềuxuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cậnthấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent Dovậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cânbằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được Và các khu vực hoạt độngnhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớnhơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

2.6 Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter)

Để phân biệt, so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người

ta sử dụng các thông số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(mean excess delay), trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excessdelay spread).Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyềntới bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile) Excess delay,

 , là khoảng thời gian chênh lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến

bộ thu đầu tiên.Tính chất tán xạ thời gian(time dispersive) của kênh truyềndẫn đa đường dải rộng được thể hiện qua thông số mean excess delay,  , vàrms delay spread,    được định nghĩa là moment cấp một của power delayprofile:

k k

k k k k k

P

P a

a

) (

) (

2 2

 2 2

a

) (

)

2

2 2 2

2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum)

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler

shift vào việc truyền một sóng mang chưa điều chế tần số f c từ BS Một MS dichuyển theo hướng tạo thành một góc i với tín hiệu nhận được từ thànhphần thứ I như hình 2.3 MS di chuyển với vận tốc v, sau khoảng thời gian

Khi đó, pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng:

: Bước sóng của tín hiệu

Dấu “-” cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS.Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyểncủa MS trong suốt khoảng thời gian t :

D v f

Với f m =v/=vf c /c là độ dịch tần doppler cực đại (từ tần số sóng mang

được phát đi) do sự di chuyển của MS

Chú ý rằng, tần số Doppler có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc i.Tần số Doppler cực đại và cực tiểu là f m ứng với góc i=00 và 1800 khi tiasóng truyền trùng với hướng MS di chuyển:

i

 =00 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía trước MS

i

 =1800 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía sau MS

Điều này tương tự với sự thay đổi tần số của tiếng còi xe lửa được tiếpnhận bởi một người đứng ở đường ray khi xe lửa đang tới gần hoặc đi xa dầnngười đó

Trong một môi trường truyền dẫn thực, tín hiệu đến bộ thu bằng nhiềuđường với khoảng cách và góc tới khác nhau Vì vậy, khi một sóng sin đượctruyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất (Doppler shift

f  cos  ) tại đầu thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ f c (1-v/c) đến f c (1+v/

c) và được gọi là phổ Doppler Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả cáchướng di chuyển của mobile hay nói cách khác là tất cả các góc tới là như

nhau (phân bố đều), mật độ phổ công suất của tín hiệu tại bộ thu được chobởi:

2

1

1 2

f

f f f

K f

Hình dạng của S(f) được mô tả như hình 2.4:

Hình 2.4 Phổ công suất Doppler

2.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time)

Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán

xạ thời gian của kênh truyền.Tuy nhiên, chúng không cung cấp thông tin về

sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển tương đối giữa MS

và BS hoặc do sự di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyềndẫn.Doppler spread và coherence time là những thông số mô tả bản chất thayđổi theo thời gian của kênh truyền

Doppler spread B D là thông số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi

theo thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số

38

f c +f m

f c -f m f c

mà phổ tần doppler nhận được là khác không.Khi một sóng hình sin có tần số

fC được truyền đi, phổ tín hiệu nhận được, phổ doppler, sẽ có các thành phần

nằm trong khoảng tần số f c -f d đến f c +f d với f d là độ dịch tần do hiệu ứngdoppler Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốctương đối của MS và góc i giữa hướng di chuyển của MS và hướng củasóng tín hiệu tới MS.Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD,ảnh hưởng của doppler spread là không đáng kể tại bộ thu và đây là kênhfading biến đổi chậm

Coherence time T c chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domaindual) của doppler spread, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổitheo thời gian của kênh truyền.Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịchvới nhau:

Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền khôngthay đổi.Nói cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sựtương quan với nhau về biên độ Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệulớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền

sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu.Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớnhơn 0.5, khi đó [2]:

m c

với f m là tần số doppler cực đại: f m =v/

Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC

tín hiêụ truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khiphương trình 2.17 lại quá hạn chế Vì thế, người ta thường định nghĩa TC làtrung bình nhân của hai phương trình trên:

m m

c

f f

f v fv

f c

T

m

22 2

1 16

9 16

9 16

vô tuyến lên tín hiệu OFDM

Trong chương tiếp theo, để chúng ta hiểu rõ hơn về kĩ thuật điều chếOFDM, sẽ trình bày các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM, việc đồng bộ,ước lượng kênh cũng như các kĩ thuật giảm PAR trong hệ thống OFDM

40