Kỹ thuật tự đồng bộ tín hiệu MPAM đơn cực trong OFDM và ứng dụng cho hệ thống quang vô tuyến

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một kỹ thuật tự đồng bộ mới cho tín hiệu MPAM đơn cực trong OFDM. Kỹ thuật này cho phép loại bỏ khoảng tiền tố vòng ở một điểm bất kỳ trong khung ký hiệu khi truyền tín hiệu MPAM đơn cực. Kỹ thuật này có thể ứng dụng phù hợp cho hệ thống băng rộng sử dụng 2-PAM hoặc 4-PAM. Kết quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy kỹ thuật này có thể ứng dụng cho hệ thống OFDM quang vô tuyến.

Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 Kỹ thuật tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực OFDM ứng dụng cho hệ thống quang vô tuyến   Đặng Lê Khoa Nguyễn Hữu Phương Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM  Hiroshi Ochi Kyushu Institute of Technology, Japan ( Bài nhận ngày 05 tháng 12 năm 2014, nhận đăng ngày 23 tháng 09 năm 2015) TÓM TẮT Hệ thống quang vô tuyến nhà Trong báo này, đề xuất kỹ quan tâm nhờ khả truyền liệu tốc độ thuật tự đồng cho tín hiệu MPAM đơn cao mà khơng can nhiễu với sóng điện từ cực OFDM Kỹ thuật cho phép loại Ghép kênh phân chia tần số trực giao bỏ khoảng tiền tố vòng điểm (OFDM) gửi luồng liệu tốc độ khung ký hiệu truyền tín hiệu cao cách dùng nhiều sóng mang MPAM đơn cực Kỹ thuật ứng trực giao Gần nhiều nghiên cứu tập dụng phù hợp cho hệ thống băng rộng sử trung vào việc tối ưu kỹ thuật OFDM cho hệ dụng 2-PAM 4-PAM Kết phân tích thống quang vơ tuyến Khi sử dụng OFDM, tốn học mơ cho thấy kỹ thuật vấn đề quan trọng xác ứng dụng cho hệ thống OFDM quang định khoảng tiền tố vòng loại khỏi vơ tuyến khung liệu trước tách sóng phía thu Từ khóa: quang vơ tuyến, OFDM, tự đồng bộ, tiền tố vòng MỞ ĐẦU Gần đây, nhiều đường truyền quang không dây đầu tư nghiên cứu phòng thí nghiệm giới đạt tới tốc độ vài trăm Gbps [1] Đường truyền quang không dây truyền thông tin cách sử dụng điều chế điện sang quang, thông thường Light-emitting diode (LED) photodiode chi phí thấp mà khơng cần sử dụng kĩ thuật thiết kế mạch cao tần Do dải tần số vô tuyến không nằm dải tần số quang nên đường truyền quang không dây không bị nhiễu với thiết bị sử dụng tần số không dây Sự phát xạ quang vùng hồng ngoại vùng khơng nhìn thấy dễ dàng bị chặn Trang 218 lại chắn sáng Do vậy, nhiễu thiết bị kề giảm xuống cách dễ dàng kinh tế Đường truyền quang phù hợp cho thiết bị xách tay có nhiều mạch thu phát quang nhỏ với giá tương đối thấp Đường truyền quang khơng dây có vài nhược điểm Tín hiệu quang bị suy giảm tán sắc tượng truyền đa đường Đường truyền quang không dây bị ảnh hưởng nguồn sáng xung quanh hay nhiễu [2] Công suất tối đa ánh sáng quang bị giới hạn quy định bảo vệ mắt da [3] Đầu thu quang khơng dây u cầu photodetector có vùng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 nhạy lớn để thu nhận đủ công suất đạt chất lượng tín hiệu chấp nhận được, thường Bit-error-rate (BER) 10-3 [2] Trong mơi trường có phản xạ, tốc độ truyền lớn, hệ thống cần sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang để chia luồng liệu thành nhiều luồng nhỏ có tốc độ thấp OFDM kỹ thuật sử dụng hiệu băng thông cách dùng sóng mang trực giao Một ký hiệu OFDM chứa nhiều sóng mang chồng lấn lên mặt phổ tần, nhờ vậy, băng thông tận dụng hiệu Cùng với việc thực OFDM đơn giản với thuật toán IFFT cho luồng phát thuật toán FFT luồng thu [4] Kỹ thuật OFDM hiệu mạng đa truy cập hệ thống truyền vô tuyến sợi quang (RoF) [5] Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào cải thiện chất lượng hệ thống quang vô tuyến dùng kỹ thuật OFDM [6] Trong báo này, đề xuất kỹ thuật tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống OFDM ứng dụng vào hệ thống quang vô tuyến Phần lại báo trình bày sau: phần trình bày ngun lý tự đồng tín hiệu MPAM Phần trình bày nguyên lý truyền nhận tín hiệu quang vơ tuyến Phần trình bày hệ thống quang vơ tuyến dùng OFDM Phần trình bày kết mô phỏng, cuối kết luận TỰ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU MPAM TRONG OFDM Gọi liệu cần truyền có dạng X i (i  1, , N ) , N số sóng mang con,   1, , N   const , s(t   ) tín hiệu dịch vòng  lần tín hiệu s(t ) Đầu phát thực biến đổi FFT đảo tín hiệu X để tạo tín hiệu miền thời gian: N s(t )   X i e j 2 ift (1) i 1 Sau thêm cyclic prefix phía phát loại cyclic prefix phía thu khỏi khung liệu Do nguyên lý cyclic prefix lấy phần đoạn liệu cuối đưa lên đầu, nên việc lấy lại N mẫu khung OFDM xem dịch vòng tín hiệu khung OFDM Giả sử việc lấy bị lệch  ký hiệu so với ban đầu, có tín hiệu sau loại cyclic prefix sau: N s(t   )   X i e j 2 if (t  ) (2) i 1 Sau thực biến đổi FFT thuận, có liệu thu sau: N  N  X ' (k )     X i e j 2 if (t  )  e j 2 lft (3) l 1  i 1  Do tính trực giao hàm sóng mang nên phương trình trở thành N X ' (k )   i 1 X e i j 2 if  (4) Xét sóng mang thứ i X i'  X i  cos(2 if  )  j sin(2 if  )  (5) Nguyên lý điều chế MPAM dựa vào biên độ tín hiệu nhận được, để khơi phục tín hiệu ban đầu, tính biên độ tín hiệu nhận X i'  X i  cos(2 if  )    sin(2 if  )   X i Như vậy, để hệ thống tự đồng tín hiệu MPAM, cần tính biên độ tín hiệu nhận Trang 219 (6) Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG QUANG VÔ TUYẾN Điều chế cường độ tách sóng trực tiếp Nhiệm vụ đầu phát quang chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang phát tín hiệu kênh truyền Laser Diode (LD) thường sử dụng làm nguồn phát quang Đối với LD điều chế tuyến tính, tín hiệu điện mang thơng tin s(t) điều chế thành công suất quang theo công thức: P(t )  P0 [1  m.s(t )] (7) với P0 cơng suất trung bình đầu phát m số điều chế quang Tại đầu thu, gọi x(t) công suất tức thời nguồn phát quang y(t) dòng tức thời sau photodetector, y(t) tỉ lệ thuận với tổng công suất thu y(t )  Rx(t )  h(t )  n(t ) (8) Đối với môi trường nhà, khoảng tiền tố vòng khơng đáng kể so với tổng thơng tin có ích nên phương sai nhiễu tính biểu thức (9) Kênh truyền quang khơng dây Hình trình bày mơ hình kênh truyền quang vô tuyến nhà [8] Trong trường hợp đơn giản, mơ hình kênh truyền quang khơng dây nhà đường truyền thẳng có đáp ứng phẳng Đáp ứng kênh truyền tính sau [8]: h(los ) (t; S , R)   n 1  cosn ( )d .rect FOV 2  (t  R / c) (10) với S đầu phát; R đầu thu;  góc đầu thu; FOV vùng nhìn thấy (field of view); d góc đối diện với đầu thu; n số mode búp xạ tính cơng thức: n    ln / ln(cos 1/2 )  ; 1/2 góc truyền nửa cơng suất với R đáp ứng photodetector,  tích chập, h(t) đáp ứng kênh truyền quang, n(t) nhiễu AWGN Nhiễu bao gồm nhiễu nguồn khác Trong trường hợp đơn sóng mang, nhiễu có phương sai biểu thức sau [7]: Trong trường hợp có phản xạ, thời gian trễ truyền dẫn tương ứng tính dựa vận tốc ánh sáng Đáp ứng đường phản xạ gồm tổng hợp K đường khác có điểm truyền điểm nhận [8]:    bg   th2 h( diff ) (t ; S , R)  (9) n 1 2 K  i 1 i cosn ( )cos( ) R2 rect  2  h(k 1) (t  Rc ;{r, nˆ,1}, R)A  2qrpbg Abg  I nbf Rb với  bg  th2  kBTabs RF I nbf Rb với q điện tích electron, r đáp ứng (11) i hệ số phản xạ nˆ tác động lên bề mặt, A vùng phản xạ photodetector, pbg độ xạ nguồn nhiễu đẳng hướng, Abg diện tích vùng detector,  băng thơng nhiễu quang, I nbf hệ số băng thông nhiễu, Rb tốc độ bit, k B số Boltzmann, Tabs nhiệt độ tuyệt đối, RF điện nˆS R( )  nˆR Đầu phát R  FOV trở hồi tiếp tiền khuếch đại Khi sử dụng OFDM, khoảng băng thông cần thêm vào cho khoảng tiền tố vòng Đầu thu AR Hình Mơ hình kênh truyền nhà Trang 220 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 HỆ THỐNG OFDM QUANG VƠ TUYẾN Mơ hình hệ thống OFDM quang vơ tuyến trình bày Hình Chuỗi bit cần truyền ánh xạ chòm có dạng X i (i  1, , N ) , N số sóng mang Tín hiệu biến đổi IFFT thành tín hiệu miền thời gian thêm cyclic prefix Tín hiệu từ miền điện u (t ) chuyển sang miền quang s (t ) LD n(t ) Information bits PD Symbol Demapper … IFFT & CP Remove CP & FFT Zero Forcing LD r (t ) … Symbol Mapper … Information bits … s ' (t ) s (t ) u (t ) … Xˆ (i ) X (i ) Hình Mơ hình hệ thống OFDM quang vơ tuyến Do vậy, tín hiệu nhận đầu thu sau qua kênh truyền: s ' (t )  h(t )  s(t )    hlos (t )  h diff (t )  s(t ) (12) Tín hiệu điện đầu thu sau thêm nhiễu: r (t )  Rs (t )  n(t ) '    r hlos (t )  hdiff (t )  s(t )  n(t ) (14) Giả sử, đầu thu ước lượng xác kênh truyền, tín hiệu đầu thu tách thuật toán ZF biểu diễn sau: N( f ) Xˆ  S ( f )  R.H ( f ) PE ( M )  (13) Dữ liệu sau bỏ cyclic prefix biến đổi FFT X ' ( f )  R.H ( f )S ( f )  N ( f ) Trong trường hợp đơn giản, kênh truyền có đường truyền thẳng Khi đó, nhiễu tác động lên hệ thống có phân bố nhiễu AWGN Tỉ lệ lỗi bit hệ thống MPAM tính sau: (15) Trong trường hợp khơng có chuyển động tương đối đầu phát đầu thu, khơng có chuyển động khơng gian truyền sóng, kênh truyền quang vơ tuyến xem kênh truyền bất biến thời gian Với tốc độ truyền khoảng 100 Mbps, xem kênh truyền phẳng 2( M  1)  6log M Eb  Q  M log M  M  N  (16) Trong trường hợp tổng quát, kênh truyền nhà gồm đường truyền thẳng đường phản xạ tường Có thể áp dụng mơ hình kênh truyền Rician cho kênh truyền phẳng biến đổi chậm để phân tích chất lượng hệ thống Phương trình BER xác định sau [9]: PE ( M )  Kg b   / (1  K )sin  exp d   (1  K )sin   g b (1  K )sin   g b (17) với  2( M  1) , K hệ số Rician, M log M 3log M  b tỉ số lượng bit M 1 lượng nhiễu trung bình g Trang 221 Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Các thông số mô hệ thống OFDM quang không dây liệt kê Bảng phản xạ trình bày Hình Trong trường hợp có phản xạ từ bốn tường, hệ thống OFDM tự đồng cho chất lượng tương tự hệ thống đồng Bảng Thông số hệ thống MIMO quang khơng dây Kí hiệu P0 TS ( ) R Pbg I nbf Tabs A g ( )  m0 RF Giá trị 0,1W 1, R 0,75 A / W 5,8W / (cm2 nm) 0,562 3000 K 1,0cm2 1, 30nm Rx Hình Mơ hình mơ hệ thống OFDM với đường truyền thẳng (LOS) 0,5 10K N 64 Rb 100Mbps Hệ thống dùng 64 sóng mang con, pilot, khoảng bảo vệ Trong trường hợp có đường truyền thẳng, khoảng bảo vệ bỏ qua Hình mơ hình thiết lập mơ điều kiện có đường truyền thẳng Đầu phát đặt trần nhà phòng, đầu thu đặt phòng mặt đất Hình trình bày thiết lập mô hệ thống OFDM trường hợp có phản xạ từ tường xung quanh Ở đây, tỉ lệ lỗi bit có cách lấy trung bình đặt đầu thu vị trí khác từ phòng đến góc phòng Giả sử hệ thống đặt phòng có kích thước 5mx5mx3m Đối với hệ thống tự đồng bộ, đầu thu lấy mẫu bị lệch mẫu so với liệu truyền Hình trình bày kết hệ thống OFDM trường hợp kênh truyền có đường truyền thẳng Kết cho thấy hệ thống tự đồng tín hiệu có tỉ lệ lỗi bit giống hệ thống đồng Kết phù hợp với phương trình lỗi Tỉ lệ lỗi bit trường hợp có Trang 222 Tx Tx Phản xạ R Rx Hình Mơ hình mơ hệ thống OFDM có phản xạ Hình Tỉ lệ lỗi bit hệ thống trường hợp có đường truyền thẳng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ T4- 2015 KẾT LUẬN Hình Kết hệ thống OFDM trường hợp có phản xạ Bài báo đề xuất kỹ thuật tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống quang vô tuyến sử dụng OFDM Kết phân tích cho thấy hệ thống hồn tồn đồng khơng cần phải xác định xác khoảng cyclic prefix Kỹ thuật sử dụng cho 2-PAM 4PAM Các phương trình BER kiểm chứng cách mô hệ thống phần mềm Những vấn đề đánh giá phân tích tối ưu thông số thiết kế cần nghiên cứu An auto synchronization technique of unipolar MPAM signals in OFDM and its application for optical wireless communication systems   Dang Le Khoa Nguyen Huu Phuong University of Science, VNU-HCM  Hiroshi Ochi Kyushu Institute of Technology, Japan ABSTRACT Optical wireless systems have attracted frame before the receiver detects signals In attention, because they allow high-speed this paper, we propose a new auto transmission without electromagnetic synchronization technique of unipolar MPAM interference Orthogonal frequency division signals It can remove the cyclic prefix in any multiplexing (OFDM) can send multiple high sample of the OFDM frame using unipolar speed signals by using orthogonal carrier MPAM It is a candidate for wideband frequencies Recently, studies have been systems and using 2-PAM or 4-PAM The focused on the optimal OFDM technique for results of mathematical analysis and optical wireless systems When using simulations show that it can be used for OFDM, one important issue is determining optical wireless systems the cyclic prefix and removing it from the Keywords: auto synchronization, OFDM, optical wireless Trang 223 Science & Technology Development, Vol 18, No.T4-2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Yan, C.M Okonkwo, D Visani, Y Hejie, H van den Boom, G Tartarini, E Tangdiongga, T Koonen, Ultrawideband signal distribution over large-core POF for in-home networks, Journal of Lightwave Technology, 30, 2995-3002 (2012) [2] J.M.H Elmirghani, H.H Chan, R.A Cryan, Sensitivity evaluation of optical wireless PPM systems utilising PIN-BJT receivers, in IEE Proceedings Optoelectronics, 355-359 (1996) [3] A.C Boucouvalas, Indoor ambient light noise and its effect on wireless optical links, in IEE Proceedings Optoelectronics, 334338 (1996) [4] Đ.L Khoa, N.T An, B.H Phú, N.H Phương, Thực hệ thống OFDM phần cứng, Tạp chí PTKHCN ĐHQG TPHCM, 12, 73-83 (2009) [5] C.W Chow, C.H Yeh, C.H Wang, C.L Wu, S Chi, L Chinlon, Studies of OFDM signal for broadband optical access Trang 224 networks, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 28, 800-807 [6] D.R Kolev, K Wakamori, M Matsumoto, Transmission analysis of OFDM-based services over line-of-sight indoor infrared laser wireless links, Journal of Lightwave Technology, 30, 3727-3735 (2012) [7] J.M Kahn, J.R Barry, Wireless infrared communications, Proceedings of the IEEE, 85, 265-298 (1997) [8] J.R Barry, J.M Kahn, W.J Krause, E.A Lee, D.G Messerschmitt, Simulation of multipath impulse response for indoor wireless optical channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 11, 367379 (1993) [9] M.S Alouini, A.J Goldsmith, A unified approach for calculating error rates of linearly modulated signals over generalized fading channels, IEEE Transactions on Communications, 47, 1324-1334 (1999)  ... cải thiện chất lượng hệ thống quang vô tuyến dùng kỹ thuật OFDM [6] Trong báo này, đề xuất kỹ thuật tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống OFDM ứng dụng vào hệ thống quang vơ tuyến Phần lại báo... LUẬN Hình Kết hệ thống OFDM trường hợp có phản xạ Bài báo đề xuất kỹ thuật tự đồng tín hiệu MPAM đơn cực hệ thống quang vô tuyến sử dụng OFDM Kết phân tích cho thấy hệ thống hồn tồn đồng khơng cần... lý tự đồng tín hiệu MPAM Phần trình bày ngun lý truyền nhận tín hiệu quang vơ tuyến Phần trình bày hệ thống quang vơ tuyến dùng OFDM Phần trình bày kết mơ phỏng, cuối kết luận TỰ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU