(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật điều chế thích nghi cho hệ QAM OFDM luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 2 07 00

Image compress standard LM-MSE Linear - Mean Square error trung bình tuyến tính MIMO Multiple-Input and Multiple-Output Hệ thống đa đường vào đa đường ra MMSE Maximum Mean Square error p

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 10

ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 10

1.1 Mở đầu 10

1.2 Miền không gian 12

1.3 Miền tần số 14

1.3.1 Điều chế tần số 14

1.3.2 Chọn lọc tần số 14

1.4 Miền thời gian 15

1.4.1 Trễ trội căn quân phương 16

1.4.2 Trễ trội cực đại 16

1.4.3 Thời gian kết hợp (cohenrent time) 17

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

1.5.1 Băng thông kết hợp (cohenrence bandwidth) và trải trễ căn quân phương 17

1.5.2 Thời gian kết hợp và trải Doppler 18

1.6 Các loại fading phạm vi hẹp (small scale fading) 18

1.7 Phân bố Rayleigh và phân bố Rice [12] 20

1.7.1 Phân bố fading Rayleigh 20

1.7.2 Phân bố fading Rice 22

1.8 Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số 23

1.8.1 Mô hình kênh trong miền thời gian 24

1.8.2 Mô hình kênh trong miền tần số 26

1.9 Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice 28

1.10 Kết luận 31

Chương 2 33

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO- OFDM 33

2.1 Mở đầu 33

2.2 Tính trực giao 34

2.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 37

2.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT và FFT 37

2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 38

2.2.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 42

2.3.2.1 Tầng điều chế sóng mang con 42

2.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 43

2.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 44

2.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 47

2.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 47

2.4.2 Các thông số trong miền thời gian 48

2.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 49

2.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 50

2.5 Các nhân tố ảnh hưởng của kênh fading lên hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục 51

2.5.1 ISI và giải pháp khắc phục 51

2.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 56

2.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 60

2.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống OFDM 62

2.6 Kết luận 72

Chương 3 73

ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ LÀM BẰNG KÊNH 73

3.1 Giới thiệu 73

3.2 Ước lượng kênh bằng PSAM 73

3.2.1 Nội suy Gauss 74

3.2.2 Nội suy FFT 75

3.2.3 Nội suy Wienner 77

3.3 Kỹ thuật làm bằng đáp ứng kênh 78

3.3.1 Bộ làm bằng cưỡng bức không 78

3.3.2 Bộ làm bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE 80

3.4 Kết luận 83

Chương 4 84

ĐIỀU CHẾ OFDM THÍCH NGHI 84

4.1 Giới thiệu 84

4.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích nghi [8] 84

4.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích nghi 84

4.2.2 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích nghi 85

4.3 Phân tích hoạt động của hệ thống AOFDM 86

4.3.1 Ước lượng kênh 86

4.3.2 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo 86

4.3.3 Báo hiệu hay tách sóng mù về các tham số được sử dụng 87

4.4 Các thuật toán thích nghi cho hệ thống AOFDM 87

4.4.1 Đặt vấn đề 87

4.4.2 Thuật toán thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang 87

4.4.2 Thuật toán thích nghi dựa theo mức điều chế 89

4.4.3 Thuật toán thích nghi dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang 92

4.5 Kết luận 99

Chương 5 100

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN AOFDM 100

5.1 Giới thiệu 100

5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi 100

5.2.1 Mô hình mô phỏng 100

5.2.2 Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng 102

5.3 Chương trình mô phỏng 106

5.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng 106

5.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 108

5.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích nghi thông qua kết quả mô phỏng 114

5.5 Kết luận 122

KẾT LUẬN 123

AM Adapting Multiple-access scheem Thích ứng lược đồ đa truy nhập

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency

Division Multiple-Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

trực giao thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

CINR Carrier to interference plus Noise

âm

COFDM Coding Orthogonal Frequency

tần số trực giao DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự

DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc

HDTV High Difinition Television Truyền hình độ nét cao

HiperLAN2 High Performance Radio Local

Area Network, WLAN standard (Europe) based on OFDM, with maximum data rate of 54 Mbps

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

54 Mbps

IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

OFDM, with a maximum data rate

of 54 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on

DSSS, with maximum data rate

of 11 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa là 11 Mbps

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh

(Image compress standard) LM-MSE Linear - Mean Square error

trung bình tuyến tính

MIMO Multiple-Input and Multiple-Output Hệ thống đa đường vào đa đường ra MMSE Maximum Mean Square error

phương MPEG Moving Picture Experts Group

(Video compress standard) Chuẩn nén ảnh động M-PSK M-Phase Shift Keying Khoá dịch pha M trạng thái

OFDM Orthogonal Frequency Division

trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất trung bình trên công

suất đỉnh

PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu

hoa tiêu QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương

SINR Signal to Interference Plus Noise

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn

cầu W-CDMA Wide Band Code Division

băng tần rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội vùng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại fading phạm vi hẹp 19

Bảng 1.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian 32

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa các tham số OFDM 49

Bảng 2.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân 61

Bảng 2.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a 69

Bảng 4.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu 90

Bảng 5.1 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích nghi 102

Bảng 5.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế 117

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đặc tính kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian 12

Hình 1.2 Phân bố mật độ xác suất Rayleigh theo độ lớn tín hiệu, 21

Hình 1.3 Phân bố xác suất Gauss 2 biến……… 22

Hình 1.4 Phân bố mật độ xác suất Rice ,σ2=1 23

Hình 1.5 Mô hình hồ sơ trễ công suất trung bình 26

Hình 1.6 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào tần số và RDS 29

Hình 1.7 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số 29

Hình 1.8 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau 30

Hình 2.1 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang 37

Hình 2.2 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con 37

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 40

Hình 2.4 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray 42

Hình 2.5 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM 42

Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức 43

Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 43

Hình 2.8 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian 44

Hình 2.9 Tín hiệu OFDM dịch DC 45

Hình 2.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM 46

Hình 2.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 48

Hình 2.12 Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM 52

Hình 2.13 Cấu trúc chuỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian 52

Hình 2.14 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 54

Hình 2.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI 54

Hình 2.16 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau 56

Hình 2.17 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ lệ bit lỗi trên nhiễu 57

Hình 2.18 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM 58

Hình 2.19 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm 59

Hình 2.20 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray 61

Hình 2.23 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 64

Hình 2.24 Hình dạng cửa sổ Kaiser với β=10 và β=50 64

Hình 2.25 Phổ của tín hiệu OFDM 65

Hình 2.26 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser 65

Hình 2.29 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC [15] 68

Hình 2.30 Đường bao ký hiệu OFDM 69

Hình 2.31 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM 70

Hình 2.32 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con 70

Hình 2.33 Công suất nhánh phụ của tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC thay đổi 71

Hình 3.1 Khuôn dạng khung truyền dẫn OFDM có gắn ký hiệu hoa tiêu 73

Hình 3.2 Giải thuật FFT 75

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 78

Hình 3.4 Sơ đồ bộ làm bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính 80

Hình 4.1 Mô hình của hệ thống điều chế thích nghi 85

Hình 4.2 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích nghi theo sơ đồ điều chế 91

Hình 4.3 Mô hình thuật toán thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang 96

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định 97

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng hệ thống AOFDM 101

Hình 5.6 Đáp ứng xung của kênh 105

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm nổi bật của kỹ thuâtj này trong việc tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại fading theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn so với

mộ hệ thống đơn sóng mang cho cùng một kết quả truyền dẫn [16]

Cùng với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật chế tạo vi mạch tích hợp có thể tạo ra các chip FFT có dung lượng lớn, gần đây OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin thế hệ mới, OFDM là một ứng cử viên có triển vọng nhất cho hệ thống thông tin di động 4G [17] Yêu cầu đặt ra là nâng cao hiệu suất phổ 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 và gần đây là Wimax dựa theo IEEE 802.16a đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao

Có thể tăng dung lượng và tốc độ của hệ thống OFDM bằng các phương pháp điều chế thích nghi nhằm khai thác tối đa dung lượng của hệ thống OFDM trên các kênh fading hẹp Đến nay các nghiên cứu về OFDM thích nghi đã và đang được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau như: điều chế đa mức trên các sóng mang con, thay đổi thích nghi các tham số OFDM, thích nghi theo mã

Luận văn sẽ thực hiện phân tích hoạt động của một hệ thống OFDM thích nghi, trên cơ sở phân tích sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống OFDM thích nghi bằng phần mềm mô phỏng Matlab, từ các kết quả mô phỏng có thể thấy được ưu nhược điểm của một hệ thống OFDM thích nghi

Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Trình bày các đặc tính của kênh vô tuyến đi động

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của OFDM

Trình bày nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của fading

Chương 3: Ước lượng kênh và cân bằng kênh

Chương 4: Điều chế OFDM thích nghi

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

Chương 5: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi

Dựa trên các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thich nghi phục vụ cho mô phỏng Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống mô phỏng Đánh giá các hệ thống dùng cơ chế thích nghi và không dùng cơ chế thích nghi thông qua chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống OFDM So sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng BPS giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng

Chương 1 ĐẶC TÍNH KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

1.1 Mở đầu

Trong bất kỳ hệ thống truyền thông nào, sự hiểu biết về đường truyền để thông qua đó nắm được hành trình của các tín hiệu truyền dẫn là cực kỳ quan trọng, nhờ đó sẽ thiết kế được một hệ thống truyền dẫn tối ưu

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu đi từ trạm gốc tới máy di động có thể gặp phải vô số các hiện tượng không mong muốn, do là môi trường truyền sóng luôn luôn thay đổi và không ổn định Vì vậy, môi trường truyền sóng là một đặc thù riêng của thông tin di động Các đặc tính kênh vô tuyến di động có tầm quan trọng rất lớn,

vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng truyền dẫn

Để thiết kế được các hệ thống vô tuyến các tính chất thống kê của kênh luôn cần được đo kiểm và đánh giá một cách chi tiết và có hệ thống Điều này là đặc biệt quan trọng khi thiết kế mô phỏng các hệ thống vô tuyến sử dụng điều chế thích nghi

Để đảm bảo hoạt động thích nghi đúng cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn hoặc tức thời của kênh

Các hiện tượng chủ yếu đặc trưng là:

 Suy hao đường truyền (path loss): biểu diễn tổn hao công suất khi truyền

dẫn tín hiệu Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách.[13]

 Che chắn (shadowing): Là hiện tượng gây ra do vật chắn cố định trên đường

truyền sóng Nói cách khác, các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm tín hiệu

 Fading đa đường và phân tán thời gian: đặc trưng cho sự thăng giáng tín

hiệu tức thời do ảnh hưởng của sự tồn tại nhiều đường truyền, do sự chuyển động của máy di động

 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: "fading phạm vi rộng" và "fading 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 Fading phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa Fading 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 Fading trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường [12]

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 1.1(a) cho thấy trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau tại các vị trí khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và fading tương ứng với nó là fading chọn lọc không gian Hình 1.1(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 fading tương ứng với nó là fading chọn lọc tần số Hình 1.1(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 fading do nó gây

ra là fading phân tập thời gian Dựa trên các đặc tính trên có thể phân chia fading kênh thành: fading chọn lọc không gian (fading phân tập không gian), fading chọn lọc tần số (fading phân tập tần số), fading 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, phân tích các đặc tính của kênh vô tuyến để sử dụng chúng trong các giải thuật điều chế thích nghi

Hình 1.1 Đặc tính kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian 1.2 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 fading phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại fading 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)

 Suy hao đường truyền

Giả thiết truyền dẫn vô tuyến được thực hiện từ một nguồn điểm tín hiệu Suy hao công suất theo khoảng cách đường truyền được tính bằng :



 

Trong đó:

PL: công suất suy hao

d: khoảng cách từ nguồn đến điểm quan sát

λ: bước sóng truyền dẫn

γ: hệ số suy giảm truyền sóng theo khoảng cách(γ=2 trong không gian tự do) Giá trị thực tế của γ trong thông tin di động thường nằm trong khoảng từ 2-5, được xác định dựa trên phương pháp bán thực nghiệm [6]

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 loga 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 P L(d) tại khoảng cách d như sau



d

d n d

P X d P d

)()

Trong đó P L (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 chiếu giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền

Chọn lọc thời gian: khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi fading phẳng đối với một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau Nói cách khác, fading đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian

nó mang tính chọn lọc thời gian

Phương trình 1.2 cho thấy ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do fading phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian) và dung lượng hệ thống

Trong đó  là tốc độ của MS,  là bước sóng,  là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang

Phương trình 1.3 cho thấy, nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler

là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi  hoặc  thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler

1.3.2 Chọn lọc tần số

là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh fading được coi là kênh fading

"phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính) Băng thông kết hợp cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tương quan Băng thông kết hợp xác định kiểu fading xảy ra trong kênh và vì thế có ý nghĩa quan trọng trong việc thích ứng các thông số điều chế Băng thông kết hợp tỷ lệ nghịch với trải trễ Fading chọn lọc tần số rất khác với fading phẳng Trong cùng một kênh fading phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu cùng ảnh hưởng của fading Ngược lại, fading chọn lọc tần số (còn gọi là fading vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh fading bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này Nếu băng thông kết hợp kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc ( phân tập tần số) Fading này sẽ làm méo tín hiệu

1.4 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 fading 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 đơn vị thay đổi theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung đơn vị 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 đơn vị 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 đơn vị 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 của kênh, tính theo:

            





,htxd,htxt

Trong đó t là biến thời gian,  là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định,

„*‟ là ký hiệu tích chập

Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian hay trải trễ Phân tán thời gian (tán thời) xảy ra khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các 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 căn quân phương

1.4.1 Trễ trội căn quân phương

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ căn quân phương RDS (Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai mômen trung tâm của hồ sơ trễ công suất PDF (power delay profile) RDS đặc trưng cho trải đa đường của kênh, vì thế được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của can nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)

2

k k

PP

2 k k

2

PP

Trong đó P(k) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm k

1.4.3 Thời gian kết hợp (cohenrent time)

Thời gian kết hợp là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ

của tín hiệu thu, được ký hiệu là Tc Thời gian kết hợp xác định đặc tính "dừng" của kênh Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian kết hợp chịu ảnh hưởng fading như nhau Vì thế nhận được một kênh fading khá chậm Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh xét ngoài thời gian kết hợp sẽ bị ảnh hưởng fading khác nhau Khi này kênh fading khá nhanh Như vậy dưới tác động của fading nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽ chịu tác động fading lớn hơn các phần khác Luận văn 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 fading chậm thay vì kênh fading nhanh do vậy sẽ đạt được hiệu năng tốt hơn

1.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau

Các đặc tính của kênh và các thông số của kênh trong các miền khác nhau không tồn tại độc lập mà có liên quan mật thiết với nhau Một số thông số trong miền này ảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác Sau đây ta sẽ xét một số mối quan hệ điển hình

1.5.1 Băng thông kết hợp (cohenrence bandwidth) và trải trễ căn quân phương

Hồ sơ trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan

hệ với nhau thông qua biến đổi Fourrier Vì thế, có thể biểu diễn 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 kết hợp để đặc trưng cho kênh trong miền tần số Tuy trải trễ căn quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông kết hợp 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 kết hợp là BC và trải trễ căn quân phương là , thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thông kết hợp có quan hệ sau đây với trải trễ căn quân phương [21]:





50

1

Công thức (1.8) 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

1.5.2 Thời gian kết hợp và trải Doppler

Thời gian kết hợp 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 kết hợp là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau

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

1.6 Các loại fading phạm vi hẹp (small scale fading)

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 căn quân phương, trải Doppler, …), mà xác định loại fading phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đa đường và fading chọn lọc tần số Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc kênh là fading phẳng hay chọn lọc tần số lại xét trong miền tần số Vì thế thông số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số Trải Doppler dẫn đến tán tần và fading chọn lọc thời gian, vì thế dựa vào trải Doppler để phân loại fading phạm vi hẹp thành fading nhanh và fading 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 1.1: Liệt kê các loại fading phạm vi hẹp

Nếu độ rộng băng thông kết hợp kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị fading phẳng Khi đó chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với trải trễ đa đường của kênh Ngược lại, nếu độ rộng băng thông kết hợp kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị fading chọn lọc tần

số, vì vậy chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa đường kênh Kết quả, tín hiệu thu bị méo dạng gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) Ngoài ra, việc lập mô hình các kênh fading chọn lọc tần số phức tạp hơn nhiều so với lập mô hình kênh fading phẳng, vì để lập mô hình cho kênh fading chọn lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến tính Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênh fading phẳng cho tín hiệu truyền dẫn Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đa đường, nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu để đạt được kênh fading phẳng Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiện hiệu năng truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích ứng để đạt được kênh fading phẳng thay vì kênh fading chọn lọc

Dựa trên trải Doppler để phân loại kênh thành kênh fading nhanh và kênh fading chậm Nếu đáp ứng xung của kênh trong miền thời gian thay đổi nhanh trong chu kỳ ký hiệu, nghĩa là nếu thời gian kết hợp kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu phát, kênh sẽ gây ra fading nhanh đối với tín hiệu thu Điều này sẽ dẫn đến méo dạng tín hiệu Nếu đáp ứng xung của kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây ra fading chậm đối với tín hiệu thu Trong

Bảng 1.1 Các loại fading phạm vi hẹp

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

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

Fading chậm T<<TC ; BS>>BD

BS: độ rộng băng tần tín hiệu, BC: cho băng thông kết hợp, BD : trải Doppler,

T : chu kỳ ký hiệu và  : trải trễ căn quân phương

trường hợp này kênh là dừng đối với một số chu kỳ ký hiệu Tất nhiên ta muốn có fading chậm vì nó hỗ trợ chất lượng truyền dẫn ổn định hơn Ta không thể xác định được 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 fading chậm thay vì kênh fading nhanh Như vậy sẽ đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn

1.7 Phân bố Rayleigh và phân bố Rice [12]

Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, có hai phân bố được sử dụng phổ biến là phân bố Rayleigh và phân bố Rice Thường các phân bố Rayleigh và Rice được sử dụng để mô tả tính chất thống kê không thay đổi theo thời gian của tín hiệu fading phẳng

1.7.1 Phân bố fading Rayleigh

Một kênh fading Rayleigh có thể được mô tả như một phân bố mà trong đó các thành phần đa đường bao gồm các tổ hợp tuyến tính của một số đường không thể phân biệt được và có các biên độ thay đổi Một cách gần đúng, có thể coi phân

bố fading Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phân bố Gauss vuông góc Các đường truyền sẽ được cộng lại như các vectơ ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng không và pha được phân bố đều trong khoảng từ 0 đến 2П

Hàm mật độ xác suất (PDF- Probability Density Function) của phân bố fading Rayleigh được biểu diễn như sau:

0

r0,e

rrp

2 2

2 r

Trong đó r là điện áp đường bao tín hiệu thu,  là giá trị căn quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, 2 là công suất trung bình theo thời gian

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

       1,253

2dr

rrprEr

2

2

22

drrprrEr

T x 2

x 2 N

2

1expC

2

1x

Trong đó: x là vector ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx là vector giá trị trung bình của vector x, Cx là ma trận hiệp phương sai

Hàm phân bố Gauss một biến giá trị thực sẽ có dạng:

1 x

Hình 1.3 là đồ thị hàm phân bố Gauss cho vector hai chiều (Hàm phân bố xác suất Gauss 2 biến)

Hình 1.3 Phân bố xác suất Gauss 2 biến

1.7.2 Phân bố fading Rice

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị fading) vượt trội, đường truyền trực tiếp (LOS), phân bố đường bao fading phạm vi hẹp có dạng Rice [5] Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này

Phân bố Rice được biểu diễn như sau:

0r,0A,

ArIe

rr

A r 2

2 2 2

(1.15)

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

bậc không được xác định như sau:     

1.8 Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần

số

1.8.1 Mô hình kênh trong miền thời gian

Xây dựng mô hình kênh là điều không thể thiếu được khi nghiên cứu thông tin vô tuyến Kênh vô tuyến fading đa đường có thể được đặc trưng theo toán học bằng bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian Trong miền thời gian, có thể rút ra tín hiệu đầu ra kênh bằng tích chập tín hiệu đầu vào kênh với hàm đáp ứng xung thay đổi theo thời gian h(,t)

h ,t  t e     t ,

i

i t

0=0, vì thế i>0 được gọi là trễ trội và đáp ứng xung mang tính nhân quả

Trong môi trường thực tế, {i (t)}, {i(t)}, {i(t)} thay đổi theo thời gian Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng , {i (t)}, {i(t)} có thể coi là ít thay đổi Tuy nhiên các pha {i(t)} thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng [- ; ]

Tất cả các thông số kênh được đưa ra ở đây đều được định nghĩa từ hồ sơ trễ công suất (PDP), PDP là một hàm được rút ra từ đáp ứng xung PDP được xác định như sau:

p   ,

i

i

2 i

Thừa số K là tỷ số của công suất đường truyền vượt trội và công suất của các tia tán

max , 0

max ,

Lưu ý rằng khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi thẳng, tương ứng với i=0, i,max= 0 tại 0=0 Vì pha của các tia không còn nữa, các thông số kênh phải hầu như không đổi xét trong diện hẹp, với điều kiện là các đường truyền hoàn toàn tách biệt nhau

Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hình kênh trong miền thời gian

Quy luật phân bố đối với biên độ, pha và mô hình hồ sơ trễ công suất cho kênh trong nhà là:

 Các pha của các đường truyền độc lập tương đối so với nhau (không tương quan) và có phân bố đều trong khoảng [-, ]

 Nếu coi tất cả các đường truyền đều được tạo ra từ cùng một quá trình thống

kê và quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa rộng so với biến t, thì biên độ của các dường truyền tán xạ sẽ tuân theo phân bố Rayleigh (được xác định theo phương trình 1.10) và PDF biên độ của tất cả các đường truyền (gồm cả LOS)

sẽ tuân theo phân bố Rice (xác định theo phương trình 1.15)

 Hình 1.6 cho thấy mô hình của hồ sơ trễ công suất trung bình cho một kênh

vô tuyến đa đường Đường đầu tiên là LOS có công suất lớn nhất Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đó các đường có công suất giảm tuyến tính theo dB Có thể biểu diễn PDP này theo dB như sau:

(1.22)

Trong đó:

(0): cho biên độ tín hiệu đi thẳng

(): biên độ của tín hiệu truyền theo đường đến máy thu tại trễ 

LOS : hiệu số giữa công suất tín hiệu đi thẳng với công suất tín hiệu của phần mức không đổi và Z là độ dốc của phần giảm tuyến tính trong PDP

Nếu sử dụng quan hệ nói trên cho phân bố Rice,sẽ nhận được công suất/biên

độ của tín hiệu đi thẳng từ thừa số K trong phương trình (1.20) và biên độ tín hiệu của các đường còn lại theo quan hệ này

1.8.2 Mô hình kênh trong miền tần số

Mô hình kênh trong miền tần số được trình bày dưới dạng phổ công suất trễ (DPS: Delay Power Spectrum) trong hình 1.5 DPS trong trường hợp này biểu diễn hàm truyền kênh, mô hình này nhận được từ biến đổi Fourier đáp ứng xung của kênh (xem phương trình (1.23)) Quá trình này cũng chứng tỏ rằng tán thời của kênh dẫn đến kênh mang tính chọn lọc tần số như đã nói ở phần 1.5 và 1.6 Sử dụng biến

Hình 1.5 Mô hình hồ sơ trễ công suất trung bình

e t h t

j

t

mô tả đáp ứng xung trong miền thời gian

Quan hệ giữa công suất tại trễ  là h() với đáp ứng xung kênh được xác định như sau:

  h( ) E[ h ( ) ]2  (1.24) Dạng của DPS được giả định giống như dạng của PDP trung bình vì thế có thể sử dụng một công thức để biểu diễn cả hai mô hình này Bằng cách định nghĩa :

l

0 ,

0 ,

0

0 ,

0

(1.25)

Trong đó p(0)=|h(0)|2 biểu thị công suất thành phần sóng đi thẳng (LOS),  biểu thị thành phần không đổi của mật độ phổ công suất,  biểu thị mũ giảm và được xác định như sau ln 10

Từ h() định nghĩa theo (1.24), có thể rút ra các biểu thức liên quan đến NRP, thừa

số K và trải trễ căn quân phương  như sau:

0pK

ENRP

0 2

_

3

max

l l l

ENRP

Hình 1.6 và hình 1.7 cho thấy các thuộc tính kênh trong miền tần số phụ thuộc vào trải trễ (RDS) và thừa số K dựa trên các kết quả mô phỏng Cả hai mô hình miền tần

số và miền thời gian đều được mô phỏng Trên hình 1.6, ta giả thiết rằng K bằng 0dB còn trên hình 1.7 ta giả thiết rằng RDS bằng 42,1ns

Hình 1.6 cho thấy rằng trải trễ cao dẫn đến thay đổi biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số nhanh hơn Điều này cho thấy cần phải ấn định nhiều sóng mang con hơn cho hệ thống OFDM khi trải phổ lớn hơn Từ hình 1.7 cho thấy, khi thừa số

K giảm, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số bị fading nhanh hơn Khi thừa số K lớn, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số ít bị fading hơn nhiều Nói cách khác, khi K lớn, cho phép ấn định băng thông sóng mang nhỏ ngay cả khi trải trễ lớn Tuy nhiên ta cần biết tại thừa số K nào ảnh hưởng trải trễ đối với thiết kế băng thông sóng mang con có thể bỏ qua Để xác định điều này ta xét kết quả mô phỏng trên hình 1.8

Hình 1.7 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số Hình 1.6 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào tần số và RDS

a) nhìn từ trên xuống, b) nhìn từ bên

Hình 1.8 Biểu thị hàm truyền đạt biên độ kênh theo tần số đối với RDS bằng 30ns

và thừa số K bằng 0dB, 6dB và 15dB Hình này cho thấy rằng thừa số K nhỏ dẫn đến biên độ kênh bị fading nhanh hơn trong miền tần số Đối với K=0dB, fading biên độ có thể lên tới 12 dB tại một tần số nào đó, đối với K=10dB, biên độ fading nhỏ hơn 2,2dB trên toàn băng tần và đối với K=15dB, fading chỉ giới hạn ở 1dB trên toàn băng tần Vậy có thể kết luận rằng Khi K lớn hơn 10dB biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số không bị fading nhiều vì thế không cần đặt băng thông sóng mang con theo trải trễ mặc dù biên độ này fading nhanh hơn khi trải trễ lớn

Hình 1.8 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau[

Từ các phân tích trên có thể kết luận ảnh hưởng của thừa số K và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số như sau:

 Trải trễ ảnh hưởng lên tốc độ thay đổi biên trong hàm truyền đạt kênh trong miền tần số Trải trễ càng cao thì tốc độ thay đổi biên trong miền tần số càng lớn

 Thừa số K xác định độ lớn của thay đổi biên hàm truyền đạt kênh miền tần

số K càng lớn thì thay đổi biên càng nhỏ

1.10 Kết luận

Chương này đã xét các đặc tính kênh Theo truyền thống, các kênh được phân loại thành các kênh fading phạm vi rộng và các kênh fading phạm vi hẹp Fading phạm vi rộng chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km) Fading phạm vi hẹp biểu thị ảnh hưởng truyền dẫn

đa đường

Khi xây dựng thuật toán cho điều chế thích nghi, cần xét các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian như cho ở bảng 1.2 Đặc tính kênh trong miền không gian liên quan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng và thăng giáng ngẫu nhiên phạm vi hẹp do truyền đa đường Thăng giáng ngẫu nhiên khi khoảng cách thay đổi ít (vào khoảng bước sóng) dẫn đến phân tập không gian (fading chọn lọc không gian) Việc fading chọn lọc không gian mang tính ngẫu nhiên và khó lập mô hình, dẫn đến tình trạng không rõ ràng khi thiết kế hệ thống và khó tăng cường chất lượng hệ thống

Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng kết hợp (xem bảng 1.2) Các thông số kênh miền thời gian là thời gian kết hợp và trải trễ căn quân phương Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS và BTS Các thông số này có thể dẫn đến fading chọn lọc thời gian trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian kết hợp của của kênh.Trải trễ xẩy ra do trễ đa đường Độ rông băng kết hợp của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình căn quân phương Vì thế trải trễ căn quân phương có thể dẫn đến fading chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số OFDM đưa ra giải pháp cho fading chọn lọc tần

số vì nó có thể chuyển fading chọn lọc tần số vào fading phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ căn quân phương

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

c D

TB

 1



(T)

Fading chậm (BS>>BD)

Chú thích:

d: khoảng cách thu phát; BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng kết hợp của kênh xét cho trường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; : trải trễ căn quân phương; TC: thời gian kết hợp của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát

OFDM là sự kết hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia theo tần

số có tính chất trực giao Các tín hiệu độc lập được tạo ra bởi các nguồn khác nhau điều chế lên sóng mang

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng

dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang con Các sóng mang con trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường

và chuyển đổi kênh fading chọn lọc thành kênh fading phẳng Như vậy, xét về mặt tần số, OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh fading trong miền tần số Việc chia dữ liệu tổng thành nhiều luồng con chính là 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 Xét về thời gian, điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn

so với thời gian trải trễ của kênh fading phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần kết hợp của kênh

Chương này sẽ trình trình bầy 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

2.2 Tính trực giao

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song 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 suất 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 Khác với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thốngảctong đó 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), OFDM cho phép các băng con chồng lấn lên nhau một cách thích hợp

Vấn đề đặt ra là làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi được tách ra chúng không can nhiễu 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 Vậy tính trực giao là gì?

 Định nghĩa: Gọi các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là )

T t

t

j i S

s

,1

N , 2 , 1 k , e

t s

ft k 2 j k

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường minh ở hình 2.1 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 2.1 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 2.2

Hình 2.1 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng

mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM

Hình 2.2 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở

với 5 sóng mang con

2.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM

2.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT và FFT

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

kt

t

s

1 2 N N/2

k k

T là độ dài ký hiệu OFDM

TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố vòng

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 thứ i của ký hiệu OFDM thứ k w(t) xung tạo dạng được biểu diễn như sau:

FFT 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:

0

T T kT t T T kT

, kT t T

1 f 2 j exp x kT t w Re kT

t

1 / N 2 / N

c k

2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 2.3 trình bày sơ đồ khối máy phát thu tín hiệu OFDM [11]

Phần 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

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) Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến

Phần máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Đầu tiên, tín hiệu RF

được trộn hạ tần thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau đó 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

Chuyển đổi Nối tiếp thành Song song

IFFT

Khuếch đại công suất và giải điều chế sóng mang cao tần

Điều chế sóng mang con

Chèn khoảng bảo vệ

Chèn từ đồng bộ khung

Điều chế sóng mang cao tần và khuếch đại công suất

Loại bỏ khoảng bảo vệ

Tách khung

FFT

Giải Điều chế sóng mang con

Chuyển đổi Song song hành Nối tiếp

Biên độ sóng mang

IQ

IQ

I

Q

IQ

IQ

Biên độ sóng mang

Máy phát

Máy thu

Đồng bộ định thời

Anten