Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô tuyến

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn:

MỤC LỤC

CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.1 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành 8

1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 9

CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 11

2.1 Mở đầu 11

2.2 Miền không gian 13

2.3 Miền tần số 14

2.3.1 Điều chế tần số 14

2.3.2 Chọn lọc tần số 15

2.4 Miền thời gian 15

2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương 16

2.4.2 Trễ trội cực đại 17

2.4.3 Thời gian nhất quán 17

2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 17

2.5.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 18

2.5.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler 18

2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 18

CHƯƠNG III : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM 21

3.1 Mở đầu 21

3.2 Tính trực giao 21

3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 25

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM 25

3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 27

3.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 29

3.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 29

3.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD 30

3.4.3 Các thông số trong miền tần số FD 30

3.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số .31

3.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 32

3.5 Ảnh hưởng của kênh pha dinh lên hiệu năng hệ thống OFDM 33

3.5.1 ISI và giải pháp khắc phục 33

3.5.2 ICI và giải pháp khắc phục 37

3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở mã hoá Gray 41

3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống OFDM 44

CHƯƠNG IV : ĐIỀU CHẾ OFDM THÍCH NGHI 45

4.1 Giới thiệu 45

4.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích nghi 47

4.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích nghi 47

4.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi 48

4.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích nghi 48

4.3 Xây dựng giải thuật cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi 49

4.3.1 Thuật toán thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con 50

4.3.2 Thuật toán thích nghi dựa theo mức điều chế 52

4.3.3 Thuật toán thích nghi dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang 54

CHƯƠNG V: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 60

TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH NGHI 60

5.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng 60

5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống 60

5.3 Các thông số mô phỏng 63

5.4 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích nghi 69

5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng 69

5.4.2 Kết quả mô phỏng các phương pháp điều chế AOFDM 73

5.4.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích nghi 73

5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế 74

5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang 76

5.4.2.4 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang 79

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

LỜI NÓI ĐẦU

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính

do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này

Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM 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 cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2 đều không dùng cơ chế thích nghi, do đó chưa tối ưu hiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động

Cũng vì lý do đó đề tài tốt nghiệp “ Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô tuyến ” mong muốn tìm hiểu

và làm rõ được những ưu điểm của hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi Theo

đó, ý tưởng thích nghi của hệ thống sẽ là : khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền

dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi về thông lượng (BPS) Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)…

Đề tài gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

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

Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động

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 vô tuyến, 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 nghi trong chương 4

Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM

Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục

Chương 4: Điều chế OFDM thích nghi

Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây dựng giải thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi

Chương 5: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi

Giới thiệu tính năng của chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM Phân tích phương pháp mô phỏng tín hiệu OFDM, phân tích các thông số hệ thống truyền dẫn OFDM So sánh hiệu quả của các hệ thống OFDM sử dụng các

cơ chế thích nghi và các hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích nghi, tiêu chí

so sánh được thể hiện thông qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua các hệ thống OFDM

CHƯƠNG I :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 cho người dùng Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khác nhau 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 hiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN) Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS hỗ trợ:

Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS

Dịch vụ Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch vụ

yêu cầu

Yêu cầu tính thời gian thực

Camera theo dõi Trung bình (50-300 kbps) Trung bình Không

Tiếng chất lượng cao Cao (100-300 kbps) Trung bình Có

Truy nhập cơ sở dữ

liệu

Cao (> 30 kbps) Rất cao Không

Đối với những ứng dụng trong môi trường di động ô, thấy rõ trong tương lai gần một sự hội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet,

và nhiều ứng dụng tiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi và nhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động Khi đó chỉ với một chiếc điện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghị truyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu yêu cầu sẽ >30 Mbps Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động thế hệ ba hiện nay chưa đáp ứng được Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổ tần và tốc độ truyền

dữ liệu của các hệ thống di động Hiện nay các hệ thống WLAN, HiperLAN/2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền

dữ liệu rất cao Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này:

Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn, hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường vô tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau)

1.1 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành

Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM

Tham số hệ thống DAB DVB-T IEEE 802.11 HiperLAN/

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế

hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải

xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng băng 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 thụ công suất lớn

Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh

và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao Ở các phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký 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 hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữ liệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệu cao

b) 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 trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang

1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều chế

có thể thay thế cho CDMA OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ thống 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 nhiều sóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con này

song song Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con

 OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường

di động Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM

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

 Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi 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 tín hiệu

số và công nghệ vi mạch VLSI

b) Nhược điểm

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

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

CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

2.1 Mở đầu

Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống

vô tuyến thích nghi), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thống điều chế thích nghi, vấn đề này phức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích nghi đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường 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 vào băng 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 bổ sung

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 giá công 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 rộng được sử dụng Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng 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 hay trên cự ly di chuyển ngắn Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng 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 với các vị trí khác nhau Hình 2.1(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh 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 Hình 2.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số Hình 2.1(c) cho thấy rằng trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau 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 tính trên có thể phân chia pha đinh kênh thành: pha đinh chọn lọc không gian (pha đinh phân tập không gian), pha đinh chọn lọc tần số (pha đinh phân tập tần số), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian) Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số

2.2 Miền không gian

Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại pha đinh phạm vi hẹp Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách 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 các đặc tính ngẫu nhiên Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian)

Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten 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 đó một số chỉ xét tần số và khoảng cách Chiều cao anten là một thông số quan trọng Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ

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

Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm

so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:

PL

0

_

0

(2.2)

Trong đó PL _ d là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách phát thu d; X là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệch chuẩn  (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền

Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với 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 tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian)

Từ phương trình 2.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá thống

kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên Ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra

do pha đinh phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian) Ảnh hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung lượng hệ thống

MS so với phương sóng tới của thành phần sóng đa đường Dịch Doppler BD có

từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi  và (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler

độ tương quan Băng thông nhất quán xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh

và vì thế có ý nghĩa cơ sở trong việc thích nghi các thông số điều chế Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ (xem phần 2.5) Pha đinh chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng Trong cùng một kênh pha đinh phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng 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 nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc ( phân tập tần số) Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu

2.4 Miền thời gian

Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian Có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi

theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:

độ dài khác nhau Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau Vì vậy tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời này

sẽ bị méo dạng Khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này

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

2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS: Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trung tâm của lý lịch trễ công suất RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh Vì thế được sử dụng

để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI)

2

k k

2 k k

2.4.3 Thời gian nhất quán

Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán Thời gian nhất 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 đinh khá chậm Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán 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 sẽ chịu tác động pha đinh lớn hơn các phần khác Đồ án sẽ nghiên cứu thuộc tính này để phát triển giải thuật điều chế thích nghi của mình Bằng cách thiết lập giá trị cho một thông số nhất định, sẽ nhận đựơc kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn

2.5.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 miền không 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 này ảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác

2.5.1 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 bày kênh trong 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 dụng băng thông nhất quán

để đặc trưng kênh trong miền tần số Tuy trải trễ trung bình quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông nhất quán và ngược lại, song quan 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 có quan 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 xét một thông số trong quá trình thiết kế hệ thống

2.5.2 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

2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) 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 đa đường và

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 pha đinh phạm vi hẹp thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm Trải Doppler là một thông số trong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi nhanh hay 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 Bảng 2.1 liệt kê các loại pha đinh phạm vi hẹp

Các ký hiệu được sử dụng trong bảng 2.1 như sau: BS ký hiệu cho độ rộng băng tần tín hiệu, BC ký hiệu cho băng thông nhất quán, BD ký hiệu cho trải Doppler, T ký hiệu cho chu kỳ ký hiệu và  trải trễ trung bình quân phương Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng Khi này chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với trải trễ đa đường của kênh Ngược lại, nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh chọn 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 hơn nhiều so với lập mô hình kênh pha đinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênh pha đinh chọn lọc tần số phải

sử dụng bộ lọc tuyến tính Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênh pha đinh phẳng cho tín hiệu truyền dẫn Tuy nhiên do không thể 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 đinh phẳng Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải

Bảng 2.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Pha đinh phẳng BS<<BC ; T10Trải trễ đa đường

Pha đinh chọn lọc tần số BS>BC ; T<10 Pha đinh nhanh T>TC ; BS<BD Trải Doppler

Pha đinh chậm T<<TC ; BS>>BD

thiện hiệu năng truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích nghi để đạt được kênh pha đinh phẳng thay vì kênh pha đinh chọn lọc Dựa trên trải Doppler, để phân loại kênh thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm Nếu đáp ứng xung kim kênh (trong miền thời gian) thay đổi nhanh trong 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 Nếu đáp ứng xung kim kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây ra pha đinh chậm đối với tín hiệu thu Trong trường hợp này kênh tỏ ra tĩnh đối với một số chu kỳ ký hiệu Tất nhiên ta muốn có pha đinh chậm vì nó hỗ trợ chất 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 nghi để nhận được kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh Như vậy ta sẽ đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn

CHƯƠNG III : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM

là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm

độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh Theo đó chương này trước hết, đồ án trình bày nguyên lý hoạt động của một

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 lượng cũng như chất lượng truyền dẫn của hệ thống OFDM

3.2 Tính trực giao

a) Ý tưởng

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việc xếp 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 mà khi được kết hợp với

các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống 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 các băng con không những không được phép chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng 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 cách khác 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 truyền dẫn OFDM

là nhờ tính trực giao của các sóng mang con Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI

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

0

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



(3.2)

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 thời gian

c) Minh hoạ

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM 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 nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau

Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình 3.1 Trong đó, (3.1.1a), (3.1.2a), (3.1.3a) và (3.1.4a) thể hiện các sóng mang con 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 (3.1.5a) và (3.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDM tổng 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 một cách tường minh ở hình 3.2 Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x) Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung tâm Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác Hình 3.2 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM 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 minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 3.3

Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số,

[sim_ofdm_time_domain.m]

3.3 Mô hình 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:

TTkTtTTkT

kTtT

ij2πexpxkT

twkt

t

1 2 N N/2

k

Trong đó:

T là độ dài ký hiệu OFDM

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

Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng

mang con, [sim_ofdm_mc.m]

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

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

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

win FFT

FFT G

G G

win win

G

TT

tT,

TTtπcos1

2

1

TtT1,

TtTT

,TTtπcos1

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:

TTkTtTTkT

,kTtT

1f2jexpxkT

twRekT

t

1 2 / N

2 / N

c k

3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 3.4 trình bày 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 là các 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 Tuy nhiên 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 tần lên 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 để phân tích tín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu

số ban đầu

3.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 3.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Hình 3.11 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian TFFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, TGlà thời gian bảo vệ Cũng thấy các thông

số khác, Twin là thời gian cửa sổ Thấy rõ quan hệ giữa các thông số là

win G

sym sym

sym sym

sym sym

T1tT,TT

tcos5.05

0

TtT,

1

Tt0,

T

tcos

5.05

Một ký hiệu OFDM bắt đầu tại thời điểm t  tk  kTsym (bắt đầu của ký hiệu thứ k) được định nghĩa bởi các phương trình (3.12)

1Tttt,e

dt

sym k k

T t f 2 j 1

i N i k k

prefix k sym T 5 , 0 i c 2

sub N

2 sub

N sub2

tt

0,

(3.11)

trong đó Tprefix Twin TG được thấy trong hình 3.11

3.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD

Từ hình 3.11 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu Tsym, thời gian truyền hiệu quả hay thời gian FFT TFFT, thời gian bảo vệ TG, thời gian cửa sổ Twin Trong mô phỏng chỉ thực hiện đối với TFFT và chu kỳ ký hiệu chiếm đa phần thời gian Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (3.10) trở thành:

G FFT

Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian

ký hiệu) được định nghĩa bởi

3.4.3 Các thông số trong miền tần số FD

Hình 3.12 trình bày sắp xếp OFDM trong miền tần số Có ba thông số chính (được cho trong bảng 3.1): toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f, và số sóng mang con Nsub Quan hệ giữa chúng là

f N

Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế hệ thống Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con Nsub Do độ rộng băng tần sóng mang con và số sóng mang con phụ thuộc nhau ở dạng (3.15), nên chỉ cần gán giá trị cho một thông số là đủ Nhưng

cả hai đều được kiểm tra bằng cách dùng tiêu chuẩn chứa chúng Nói cách khác,

có hạn chế về độ rộng băng tần sóng mang con cũng như số sóng mang con Tất

cả nên được kiểm tra để thiết kế độ rộng băng sóng mang con và đối với số sóng mang con

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

Thông số miền thời gian TFFT và thông số miền tần số f có quan hệ với nhau, nghĩa là chúng là tỉ lệ nghịch của nhau Vì vậy, việc đặt giá trị cho một thông số

là đủ để thiết kế hệ thống Từ bảng 3.1 cho thấy cho trước toàn bộ độ rộng băng tần, cần phải gán các giá trị cho độ rộng băng sóng mang con (hoặc số sóng mang con) và thời gian bảo vệ cho một hệ thống OFDM Theo đó, có thể tìm được các thông số khác, nghĩa là số sóng mang con (hay độ rộng băng sóng mang con), chu

kỳ ký hiệu và FSR

Hình 3.6 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con

3.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM

Một trong các muc tiêu của điều chế thích nghi là cải thiện dung lượng Vì thế trước hết cần nghiên cứu các thông số nào ảnh hưởng lên dung lượng Trong phần này đồ án đề cập các thông số này và đưa ra công thức để xác định chúng

Dung lượng kênh theo Shannon

Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu được xác định bằng công sau:

2

trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông

Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này

Dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM

Thấy rõ, mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng lên dung lượng Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kỳ nên có nhiều thông số quyết định dung lượng hơn

Bắt đầu bằng việc xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa các tham số OFDM

Miền khảo

sát

Tham số khảo sát

Mối quan hệ Tham số dùng

sym FFT TTFSR 

cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…) Khi này tốc độ bit tổng của

NMlogR

R

2 c sym

FFT 2

c

sym 2

c sym sub 2

3.5 Ảnh hưởng của kênh pha dinh lên hiệu năng hệ thống OFDM

3.5.1 ISI và giải pháp khắc phục

a) Nguyên nhân và ảnh hưởng của ISI

 Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu ISI truyền qua nó

 Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời

b) Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI

 Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Nếu khoảng thời gian ký hiệu lớn hơn trải trễ cực đại của kênh pha đinh thì kênh được gọi là kênh pha đing phẳng Ngược lại kênh sẽ có tính chất chọn lọc

tần số gọi là kênh chọn lọc tần số Việc thiết kế máy thu đối với kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơn rất nhiều so với kênh pha đinh phẳng

Thấy rõ, với cùng độ rộng băng tần hệ thống như nhau thì tốc độ ký hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang đồng nghĩa với thời gian của ký hiệu OFDM được tăng lên, vì vậy khả năng đối phó ISI (do kênh gây ra) tăng lên Ngoài ra, để tăng dung sai đa đường, có thể mở rộng chiều dài

ký hiệu OFDM, bằng cách thêm một khoảng thời gian bảo vệ vào phần đầu mỗi

ký hiệu Mặt khác, khoảng thời gian bảo vệ của tín hiệu OFDM cũng giúp chống lại lỗi dịch thời trong bộ thu

Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ, thì khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra theo cách copy phần cuối ký hiệu lên phần đầu của cùng ký hiệu Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của

ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc copy phần cuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tại điểm nối Hình 3.13 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ Chiều dài tổng của ký hiệu là Tsym  TG  TFFT, trong đó Tsym là tổng chiều dài của ký hiệu, TG là chiều dài của khoảng bảo vệ, và TFFT là kích thước IFFT được

sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM

Hình 3.14 mô phỏng cấu trúc một tín hiệu OFDM trong miền thời gian, với

= 64 Đặc biệt là khoảng bảo vệ được thiết lập bằng các giá trị là ‘0’ Do đó dễ dàng thấy giữa các khối ký hiệu OFDM có sự phân tách nhau bởi một đoạn giá trị

‘0’

Hiệu quả sử dụng phổ tần cao của OFDM được thể hiện ở hai khía cạnh chính:

(1) do cơ chế truyền dẫn song song

(2) dùng thêm khoảng bảo vệ đã làm giảm đáng kể tốc độ ký hiệu OFDM Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi truyền dẫn tín hiệu OFDM qua kênh vô tuyến và là một nhân tố chính để chống lại kênh pha đinh lựa chọn tần

số

 Tính hữu hiệu của khoảng thời gian bảo vệ

 Chống lại lỗi dịch thời gian

Lỗi dịch thời gian là lỗi do quyết định sai biên giới của ký hiệu thu, lỗi này làm tổn thất toàn bộ thông tin chứa trong ký hiệu bị quyết định sai biên giới

Hình 3.8 Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian,

[sim_ofdm_signal.m]

Đối với một kênh lý tưởng không có trải trễ thì phía thu có thể xác định chính xác từng vị trí trong ký hiệu bao gồm luôn cả khoảng bảo vệ và vẫn lấy được số mẫu một cách chính xác mà không vượt quá đường biên ký hiệu Trong môi trường đa đường thì ISI sẽ làm vị trí các ký hiệu bị xê dịch theo thời gian và chồng lấn lên nhau, làm phía thu quyết định sai biên giới ký hiệu Tuy nhiên do

ký hiệu OFDM có khoảng bảo vệ nên ISI chỉ làm giảm chiều dài của khoảng thời gian bảo vệ mà không ảnh hưởng đến phần dữ liệu cho nên sẽ hạn chế được lỗi dịch thời

 Đối phó với ISI

Việc thêm vào khoảng thời gian bảo vệ sẽ cho phép giảm thời gian biến động của tín hiệu Để loại bỏ ảnh hưởng của ISI thì khoảng bảo vệ sẽ phải có độ dài lớn hơn trải trễ cực đại của kênh vô tuyến Hình 3.15 mô tả ảnh hưởng của ISI lên

ký hiệu thu trong môi trường đa đường, đồng thời cũng cho thấy hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại những tác động của môi trường đa đường này Ví dụ này thể hiện pha tức thời của một sóng mang tại 3 ký hiệu

Hình 3.9 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của ISI Tuy nhiên trong thực tế, các thành phần đa đường có xu hướng suy giảm chậm theo thời gian, hậu quả vẫn tồn tại một chút ISI thậm trí khi sử dụng khoảng thời gian bảo vệ dài Hình 3.16

là kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI [8] Băng tần kênh được giữ nguyên trong các lần mô phỏng Mô phỏng thực hiện thay đổi giá trị chiều dài khoảng bảo vệ và kích thước FFT đối với tín hiệu OFDM, và so sánh SNR thu được ứng với mỗi lần thay đổi hai thông số này Kết quả cho thấy SNR tăng khi chiều dài khoảng bảo vệ cùng kích thước FFT tăng

3.5.2 ICI và giải pháp khắc phục

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con

a) Nguyên nhân và ảnh hưởng của ICI

 ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần số), nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu

 Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên

các sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao

Hình 3.10 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI

b) Giải pháp khắc phục

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, và dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM) Các hoa tiêu giúp cho việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI

c) Phân tích ICI trong hệ thống OFDM

Biểu thức lý thuyết để tính phương sai ICI bằng cách mô hình ICI như là quá trình ngẫu nhiên Gauss Sự xấp xỉ này là do lý thuyết giới hạn trung tâm và sẽ chính xác khi số sóng mang lớn Phương sai nhiễu ICI được tính như sau:

sym d 0 sub

2 sub

s s

iTf2JiN2NN

EEc

trong đó cl là ICI, E là năng lượng cho mỗi ký hiệu, Nsub là số sóng mang con, fd

là tần số Doppler, Tsym là độ rộng ký hiệu và J0 là hàm Bessel loại một, bậc '0' Lưu ý rằng phương sai ICI không phụ thuộc vào tín hiệu phát mà chỉ phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền Tỷ số lỗi bít đối với PSK nhất quán trong kênh pha đinh Rayleigh có thể tính như sau:

b 4 / 1 P

_

Biết được công suất ICI từ biểu thức (3.19) ta có thể tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) Giá trị SIR này được thay chobở biểu thức trên để tính tỷ số lỗi bít Hình 3.17 mô phỏng nhiễu nền do ICI đối với điều chế PSK với giá trị tần số Doppler tăng dần Kết quả lý thuyết tìm được cũng phù hợp với kết quả mô phỏng trên Hình 3.18 mô phỏng ảnh hưởng của ICI và sự giảm của SIR khi giá trị tần số Doppler tăng Từ hình 3.17 và 3.18 cho thấy công suất ICI phụ thuộc vào số lượng sóng mang con Khi càng tăng số lượng sóng mang con thì phương sai ICI càng tăng và SIR càng giảm

Công suất ICI được tính toán và biểu diễn theo hàm của sóng mang con thứ k

Do đó ở đầu ra của khối FFT, sóng mang con đầu ra thứ k được viết như sau

0 n

k k k k N / nk 2 j

Trong đó y(n) là tín hiệu thu được, N là kích thước FFT, dk là ký hiệu phát đi ban đầu, Hk là biến đổi Fourier của kênh ở sóng mang con thứ k, k là thành phần ICI do tính biến đổi thời gian của kênh và nk là thành phần tạp âm ở sóng mang con thứ k Trong kênh bất biến theo thời gian do tính trực giao của các sóng mang con nên k bằng không và EHk 2 1 Khi tần số Doppler chuẩn hoá cao thì thành phần ICI là khác không Công suất ICI được tính và biểu diễn theo hàm của sóng mang con thứ k như sau:

k m , 0 m

1 N

1

sub sub

sym d 0 sub

2 sub 2

) N / T f 2 ( J ) n N ( 2 N N

E

1 N

1 n

sub sym

d 0 sub

2 sub 2

sub

2 k

Hình 3.19 thể hiện ICI đối với mỗi sóng mang con là khác nhau Sóng mang

Hình 3.13 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM N=102,

[sim_var_ici_smtt_sm_b.m]

Khi kích thước FFT tăng lên thì công suất ICI cũng tăng lên nhanh chóng Do

đó tăng kích thước FFT mặc dù sẽ tăng chiều dài ký hiệu và tất nhiên sẽ giảm được ISI nhưng bù lại thì lại làm tăng ICI Cho nên trong thực tế cần lựa chọn kích thước FFT hợp lý

3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở mã hoá Gray

a) Các ảnh hưởng

Tạp âm tồn tại trong toàn bộ hệ thống truyền thông Nguồn tạp âm chính là tạp âm nhiệt nền, tạp âm điện trong bộ khuếch đại phía thu Ngoài ra tạp âm được tạo ra trong nội bộ hệ thống như ISI, ICI và IMD Chúng làm giảm SNR và làm giảm hiệu quả phổ tần của hệ thống Vì thế cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tạp âm đối với tỷ lệ lỗi truyền thông và hoà hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần

Hầu hết tạp âm trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đều được mô hình hoá AWGN Tạp âm cùng với nhiễu gây ra nhoè điểm vector phát tới máy thu và quay pha các vector này, từ đó gây lỗi dữ liệu do quyết định sai vector thu

b) Giải pháp khắc phục

Một giải pháp là nếu tồn tại hai vector cạnh nhau chỉ khác nhau một bit thì khi quyết định sai chỉ xảy ra lỗi một bit, đây chính là phương pháp mã hoá Gray

Mã hoá Gray: là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao sẽ

chỉ khác nhau một bit Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn Thường tiến hành mã hoá Gray khi điều chế M-QAM hay M-PSK [3]

Phương trình (3.24) là chuỗi mã dưới dạng thập phân cho mã hoá Gray Mã hoá Gray có thể sử dụng cho toàn bộ các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK, 16-PSK,…) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM,…) Đối với QAM thì mỗi trục sẽ được ghép riêng sử dụng mã hoá Gray

Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân