Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM

Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp này

Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua

Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Hữu Phương và TS Đặng Lê Khoa đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài

Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện khóa luận

Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể nhưng chắn chắn sẽ không tránh được những thiếu sót Chúng em kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng Ý tưởng chính 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 các sóng mang con khác nhau – các sóng mang này trực giao nhau Vì thế nó có ưu điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB-T (1995), chuẩn IEEE 802.11a (1999), HIPERLAN II (2000), ITSI, MMAC, chuẩn IEEE 802.11g và là ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược điểm nhất định Nhược điểm chính của OFDM là tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) khá lớn PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang Vì vậy, sẽ làm tăng sự phức tạp các bộ chuyển đổi A/D đồng thời làm giảm đi hiệu suất của bộ khuếch đại vô tuyến (RF)

Yêu cầu giảm PAPR trong OFDM là rất lớn Đề tài “ Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM” sẽ đề cập đến một số cách làm giảm thiểu PAPR Mục tiêu chính của đề tài là giảm PAPR bằng luật u – luật tiếng nén tiếng nói được rộng rãi sử dụng ở US và Nhật

đồng bộ trong OFDM, và khái niệm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) của tín hiệu OFDM – vấn đề quan tâm của đề tài

Chương 3: Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM Chương sẽ giới thiệu các

thuật toán làm giảm PAPR như : phương pháp xén, phương pháp compading, phương pháp mã hóa, phương pháp hoán vị,…

Chương 4:Mô phỏng trên Matlab Simulink phương pháp giảm PAPR cho OFDM bằng phương pháp companding Đây là nội dung chính của đề tài Thiết kế mô phỏng hệ

thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: 12

1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam 14

1.3.2 Hướng phát triển trong tương lai 14

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM 15

2.1 Nguyên lý của OFDM: 15

2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM 16

2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM 16

2.3.2 Tính trực giao 16

2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval ) 18

2.4 Hệ thống OFDM 19

2.4.1 Tại phía phát 19

2.4.2 Tại phía thu 20

2.5 Ảnh hưởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM 20

2.5.1 Kênh truyền AWGN 20

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM 29

3.1 Nguyên nhân giảm PAPR: 29

3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR 29

3.3 Các phương pháp giảm PAPR 30

3.3.1 Phương pháp xén ( Clipping ) [3] 30

3.3.2 Phương pháp mã hóa [6] 31

3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] 31

3.3.4 Phương pháp Selected Mapping ( SLM ) 33

3.3.5 Phương pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] 35

3.4 Giảm PAPR bằng phương pháp Companding [5] 38

4.2 Chức năng các khối trong mô hình 42

4.2.1 Khối Data Source 42

4.2.2 Khối IQ Mapper 43

4.2.3 Khối OFDM Modulation 43

4.2.4 Kênh truyền AWGN 45

4.2.5 Khối OFDM Demodulation 46

4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) 47

4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM 47

4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử

nghiệm với kênh truyền AWGN 48

4.3.1 Khối Mu-law compander 48

4.3.2 Khối Mu-law Expander 49

4.3.3 Khối PAPR Calculator 49

4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading 50

4.4.1 Khối tạo kênh truyền 51

4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) 59

4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) 59

4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) 60

4.6.4 Khối tạo symbol OFDM 60

4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM 61

4.6.6 Các khối phía thu 61

4.7 Hệ thống OFDM được giảm PAPR với luật nén µ-255 62

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM 64

5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading 69

5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading 72

5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink 73

5.5.1 Đường cong nén của bộ nén µ-255 73

5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát 73

5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén 74

5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền 75

5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén 76

5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM 77

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

6.1 KẾT LUẬN: 79

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm

13

Hình 1 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây 14

Hình 2 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung 15

Hình 2 2 Các sóng mang con trong miền thời gian 17

Hình 2 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số 18

Hình 2 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM 19

Hình 2 5 Hệ thống OFDM đơn giản 19

Hình 2 6 Kênh truyền AWGN 21

Hình 2 7 Ảnh hưởng của môi truyền vô tuyến 22

Hình 2 8 Tín hiệu đa đường 23

Hình 2 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading 24

Hình 2 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM 26

Hình 3 1 Thuật toán xén 30

Hình 3 2 Sơ đồ khối phương pháp PTS 31

Hình 3 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ 32

Hình 3 4 Thuật toán SLM 34

Hình 3 5 SLM thích ứng 35

Hình 3 6 Thuật toán Interleaving 37

Hình 4 1 Hệ thống OFDM 42

Hình 4 2 Khối data source 43

Hình 4 3 Khối IQ Mapper 43

Hình 4 4 Cấu trúc symbol OFDM 45

Hình 4 5 Khối OFDM Modulation 45

Hình 4 6 Khối tạo kênh truyền 46

Hình 4 7 Khối OFDM Demodultator 46

Hình 4 8 Khối giải ánh xạ chòm sao 47

Hình 4 9 Khối tính BER và phân tích phổ 47

Hình 4 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR 48

Hình 4 11 Khối Mu-law compander 48

Hình 4 12 Khối Mu-law expander 49

Hình 4 13 Khối PAPR Calculator 49

Hình 4 14 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR kênh truyền Rayleigh Fading 50

Hình 4 15 Kênh truyền Rayleigh Fading 51

Hình 4 16 Tín hiệu bị biến đổi khi qua kênh truyền 51

Hình 4 17 Mô hình bộ cân bằng 53

Hình 4 18 Khối nén µ-255 54

Hình 4 19 Đường cong nén của luật µ 54

Hình 4 20 Cấu trúc codeword luật µ-255 55

Hình 4 21 Khối giải nén µ-255 57

Hình 4 22 Hệ thống OFDM trên DSP Builder 58

Hình 4 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên 59

Hình 4 24 Khối mã hóa và giải mã kênh 59

Hình 4 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao 60

Hình 4 26 Khối tạo Symbol OFDM 61

Hình 4 27 Khối tạo tín hiệu OFDM 61

Hình 4 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 62

Hình 4 29 Khối nén và giải nén µ 62

Hình 5 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 64

Hình 5 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 65

Hình 5 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trước và sau khi sử dụng luật µ 66

Hình 5 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chưa sử dụng luật µ và sau khi sử dụng luật µ 66

Hình 5 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trước và sau khi sử dụng luật µ 67

Hình 5 6 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía thu trước và sau khi sử dụng luật µ 67Hình 5 7 BER của hệ thống trước và sau khi sử dụng luật µ 68

Hình 5 8 Các Pilot trong miền tần số 69

Hình 5 9 Dữ liệu sau khi được chèn Pilot 69

Hình 5 10 Tín hiệu OFDM ban đầu 70

Hình 5 11 Tín hiệu OFDM sau khi được giảm PAPR bằng luật µ 70

Hình 5 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền 71

Hình 5 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén 71

Hình 5 14 BER của hệ thống trước và sau khi sử dụng luật µ 72

Hình 5 15 Đường cong nén của bộ nén µ-255 73

Hình 5 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha 74

Hình 5 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 74

Hình 5 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi được nén 75

Hình 5 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi được nén 75

Hình 5 20 Nhiễu được tạo ra bằng các giá trị ngẫu nhiên 75

Hình 5 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha 76

Hình 5 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 76

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 tại Mỹ Trong những thập kỷ qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert, đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số đã làm cho kỹ thuật điều OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi

Ngày nay, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương thức mã hóa kênh, sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Code OFDM) Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền

1.2 Các ưu điểm và nhược điểm của OFDM:

1.2.1 Ưu điểm 1.2.1 Ưu điểm

 Kỹ thuật OFDM có thể loại được nhiễu liên ký tự (ISI) bằng cách sử dụng chuỗi bảo vệ Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn nhất của kênh truyền

 Kỹ thuật OFDM được ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải rộng vì kỹ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách dữ liệu thành các băng

con chồng lên nhau Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh hưởng của kênh truyền chọn lọc tần số

 Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT  Khả năng kết hợp tốt với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như:

hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM

1.2.2 Nhược điểm

 Do các subcarrier được điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số lượng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn so với trị trung bình Điều này làm tăng hệ số tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC

 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng bảo vệ không mang các thông tin có ích

 Hệ thống rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch pha do yêu cầu về sự trực giao của các sóng mang con

1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM:

Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 60, nhưng hệ thống không thể hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chưa phát triển Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT

Kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự Đến

Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn đi động 4G

OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số

Những nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện rộng hơn với số trạm gốc giảm đi Kỹ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan (hình 1.1), camera giám sát không dây (hình 1.2), hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và Wimax

Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm trong các điều kiện bị che chắn

Hình 1 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm

Hình 1 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây

1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam

Ngày nay, mạng internet băng thông rộng ADSL trở nên rất phổ biến ở Việt Nam Sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL chính là do công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ đường truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường

Ngoài ra, hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DBT-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11 a,g,n cũng sẽ được khai thác rộng rãi ở Việt Nam Kỹ thuật OFDM do vậy là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật, có ý nghĩa thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nước

1.3.2 Hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM

Trong chương này sẽ nêu ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của OFDM như: mô tả toán học, sự trực giao, và một số khái niệm khác trong OFDM

2.1 Nguyên lý của OFDM:

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM

Hình 2 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung

Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín

hiệu OFDM đƣợc đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhƣng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế

2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM

2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM

Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng nhƣ mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biễu diễn tín hiệu ở dạng sau: s(t)=

√ ∑ ∑ ))

OFDM đạt đƣợc sự trực giao bằng cách điều chế các tín hiệu vào một tập các sóng mang con trực giao Mỗi sóng mang con có tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhƣng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau

Hình 2 2 Các sóng mang con trong miền thời gian

Về mặt toán học, hai sóng mang con trong một nhóm đƣợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn:

∫ ) ) {

Công thức trên có nghĩa là tích phân của ) ) bằng 0 khi hai sóng mang con khác nhau, và bằng một hằng số C khi hai sóng mang con giống nhau Do đó ở máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó có dạng :

) { )

Trong đó :

f0 là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con N: số sóng mang con trong một symbol

T: thời gian tồn tại của symbol

 Trực giao miền tần số

Để khảo sát bản chất của OFDM, chúng ta khảo sát hệ thống với các băng thông của từng sóng mang con nhƣ hình 2.3 Phổ của các sóng mang con (subcarrier) có dạng sinc này chồng lấp lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ đạt cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu Đây là các đặc điểm giúp cho OFDM sử dụng hiệu quả băng thông truyền, các dải con không cần phải có phân cách tần số nhƣ ở đa hợp phân chia tần số Các sóng mang con này trực giao nên một symbol OFDM có thể chứa rất nhiều sóng mang con mà không cần phải có khoảng phân cách lớn Nhờ vậy, băng thông đƣợc tận dụng hiệu quả

Hình 2 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số

Thông thường người ta dùng phần cuối của mỗi symbol để làm khoảng bảo vệ cho symbol đó, được gọi là CP ( Cyclic Prefix ) Khi chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ làm cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI

Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp Khi chèn khoảng bảo vệ TCP thì thời gian của một symbol OFDM sẽ tăng lên Thời gian symbol OFDM được diễn tả như sau:

 Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp

 Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số

 Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường

 Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

2.4.2 Tại phía thu

 Tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu

 Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT

 Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization)

 Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã  Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

2.5 Ảnh hưởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM

2.5.1 Kênh truyền AWGN

Hình 2 6 Kênh truyền AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng

Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading

2.5.2.1 Sự suy giảm tín hiệu

Hình 2 7 Ảnh hưởng của môi truyền vô tuyến

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu

2.5.2.2 Hiệu ứng đa đường

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm

Hình 2 8 Tín hiệu đa đường

Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tương đối với trạm phát thì sẽ xảy ra hiện tượng Doppler, chuyển động này gây ra sự dịch chuyển tần số khi MS nhận được tín hiệu, độ dịch chuyển tần số cho bởi công thức sau:

fD = fDmax cos(α), với fDmax = vfc/c

Trong đó, v là vận tốc tương đối của MS so với BS fc là tần số sóng mang

c là vận tốc sóng sóng điện từ (3.108 m/s)

α là góc giữa hướng chuyển động của MS với hướng từ MS tới BS Mô hình tổng quát của kênh truyền có thể được biểu diễn như hình bên dưới Trong đó, x(t) là tín hiệu truyền, y(t) là tín hiệu sau khi qua kênh truyền, τk là thời gian trễ của đường thứ k, αk(t) là đáp ứng của đường tương ứng với độ trễ τk L là số đường trễ truyền dẫn

Do tín hiệu nhận được ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau, có những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này

Hình 2 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading

2.5.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM [2]

Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào được điều chế để tạo để tạo thành tín hiệu dải gốc ở dạng phức Tín hiệu này sẽ được chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng song song tạo thành symbol OFDM Symbol OFDM được chuyển thành tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT Phép biến đổi IFFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền thời tần số sang miền thời gian Gọi s(t) là ngõ ra của của tín hiệu sau phép biến đổi IFFT, như vậy, s(t) là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn

Để đơn giản, ta chỉ xét tín hiệu OFDM ở baseband (bỏ qua việc điều chế sóng

2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số do ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ giữa máy phát và máy thu, nếu mất tính đồng bộ sẽ dẫn đến nhiễu ISI và ICI Các hệ thống sử dụng OFDM dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là mất đồng bộ tần số sẽ làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ

Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ về mặt tần số giữa phía phát và phía thu là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng dịch thời gian symbol Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời gian symbol gây nên nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính xác nhiều hơn khoảng thời gian symbol

Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization)

Đồng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu kỹ hơn trong các đề tài khác

2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5]

Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ được điều chế độc lập có biên độ và pha khác nhau Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số

và được truyền cùng lúc Khi những sóng mang phụ được cộng liền mạch với nhau, công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình Trong trường hợp xấu nhất, khi N tín hiệu được cộng cùng pha, công suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với công suất trung bình

Hình 2 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM

Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM

Trong một hệ thống OFDM, gọi Xn là 1 symbol OFDM với n=0,1,2… N-1, vector X=[X0, X1, X2,……, XN-1]T là một khối dữ liệu OFDM Chúng được truyền trên 1 tập hợp các sóng mang phụ fk k=0,1,2 … N-1 Các sóng mang này được chọn trực giao với nhau

Biên độ tức thời của tín hiệu baseband OFDM có N thành phần tần số sau khi

Công suất đường bao tức thời được cho bởi công thức P(t) = |x(t)|2 = ∑ ∑ ∑

Công thức tính PAPR chung cho tín hiệu OFDM có N sóng mang phụ được cho bởi công thức:

PAPR = max{

∑ ∑ ∑

 Hàm phân bố tích lũy bù ( CCDF ) của PAPR [6]

Hàm mật độ tích lũy CDF là một thông số thường được sử dụng để biễu diễn khả năng giảm PAPR của bất kỳ một kỹ thuật giảm PAPR Thông thường ta sử dụng hàm mật độ tích lũy bù CCDF thay vì sử dụng CDF, nó thể hiện xác suất 1 frame OFDM có giá trị PAPR lớn hơn 1 giá trị ngưỡng PAPR0 cho trước

Hàm CCDF được biễu diễn bởi biễu thức sau:

CCDF(PAPR(x)) = Pr ( PAPR(x) > PAPR )

2.8 Kết luận

Chương đã đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan trọng OFDM Kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm trong các hệ thống ngày nay, tuy nhiên nó vẫn còn một số nhược điểm cần phải khắc phục Một trong những hạn chế đó là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao Trong chương sau sẽ tìm hiểu rõ hơn về PAPR trong OFDM

CHƯƠNG 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM

Trong chương này sẽ tìm hiểu lý thuyết về một số thuật toán làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM như :

 Phương pháp xén

 Phương pháp Selected Mapping (SLM)

 Phương pháp Partial Transmit Sequence (PTS)  Phương pháp hoán vị (Interleaving)

 Phương pháp companding

3.1 Nguyên nhân giảm PAPR:

Kỹ thuật OFDM chia băng thông tổng cộng thành những sóng mang phụ có băng thông hẹp và truyền dữ liệu một cách song song Nó có nhiều lợi ích khác nhau, như tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI … Nhưng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao là một trong những nhược điểm chính trong hệ thống OFDM PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết

3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR

Để giảm PAPR, có nhiều phương pháp được sử dụng Ta chia ra thành 3 nhóm: 1 Kỹ thuật làm méo dạng tín hiệu: bao gồm các phương pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh (peak windowing), điều khiển tín hiệu (commanding) Cách đơn giản nhất để giảm PAPR là phương pháp xén công suất tín hiệu truyền dưới 1 mức ngưỡng

2 Kỹ thuật mã hóa: ý tưởng chính của phương pháp này là chọn những codewords với PAPR nhỏ Một số codeword cũng có khả năng sửa lỗi cao Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã Reed-Muller là một trong những codewords rất tốt thường được sử dụng và nó cũng cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm Mặc dù mã hóa là phương pháp rất tốt để giảm PAPR, nhưng rất khó để tìm được đủ codeword có PAPR nhỏ, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang phụ

3 Kỹ thuật xáo trộn symbols: nhóm kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật xử lý tín hiệu tuyến tính Ý tưởng cơ bản của nhóm phương pháp này là mỗi sysbol OFDM sẽ được xáo trộn thành những chuỗi khác nhau Chuỗi có PAPR nhỏ nhất sẽ được chon để truyền đi Phương pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải quyết PAPR phải được tính ở phía phát và thông tin về chuỗi được chọn sau khi đã xáo trộn cần phải được biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu Selected mapping (SLM) và Partial Tranmit Sequence (PTS) là hai phương pháp phổ biến nhất được sử dụng

3.3 Các phương pháp giảm PAPR

Mã hóa sữa sai có thể được sử dụng như là một phương pháp tối ưu, nó vừa có tác dụng mã hóa sửa sai và giảm PAPR cho hệ thống

3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3]

PTS là 1 phương pháp làm giảm PAPR không làm méo dạng tín hiệu Ý tưởng chính của phương pháp này là chia khối dữ liệu ban đầu vào U các khối dữ liệu phụ Xu, u=1,2, U Mỗi sóng mang phụ được biễu diễn lại 1 cách chính xác vào 1 trong những khối phụ

Hình 3 2 Sơ đồ khối phương pháp PTS

Hình 3 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ

Sau khi chia tín hiệu ra thành nhiều subblock, xác định đƣợc công suất đỉnh cao nhất trong từng subblock, ta nhân các tín hiệu ở subblock cho các tác nhân xoay P với mục đích làm giảm công suất đỉnh Tín hiệu truyền đi sẽ là tổng của tín hiệu ở các subblock

Ta có tín hiệu trong miền thời gian :

 Phương pháp PTS thích ứng [3]

Thực hiện PTS thích ứng

PTS thích ứng cải thiện từ PTS ở việc đặt 1 ngưỡng PAPR mong muốn Nếu ngõ ra có PAPR vượt hơn ngưỡng cho phép thì sẽ thực hiện lại quá trình xoay pha cho đến khi thỏa điều kiện

3.3.4 Phương pháp Selected Mapping ( SLM )

Hình 3 4 Thuật toán SLM

Ý tưởng của phương pháp SLM không khác nhiều so với PTS Nó chọn tín hiệu phù hợp nhất từ tập hợp của những khối dữ liệu quay pha được tạo ra bởi bộ phát

Xét một khối dữ liệu OFDM X = [X0, X1, X2,… , XN-1] với , và U chuỗi dữ liệu khác pha Bu = [bu,0, bu,1, bu,2…, bu,N-1]T với u = 1,2,3,…,U Khi đó ta có U khối dữ liệu Xu được tạo ra bằng cách nhân chuỗi X với tất cả các chuỗi khác pha Bu Sau khi biến đổi IFFT ta sẽ có U tín hiệu có giá trị PAPR khác nhau Trong số chúng, ta chọn một tín hiệu có PAPR nhỏ nhất để truyền đi

Tương tự như phương pháp PTS, thông tin về pha của chuỗi được chọn bên phía phát phải được gửi đến phía thu để phục hồi lại khối dữ liệu như ban đầu

Giải thuật cho phương pháp SLM thích ứng

Hình 3 5 SLM thích ứng

3.3.5 Phương pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3]

Hoán vị là một phương pháp giảm PAPR ít làm méo dạng tín hiệu Mở rộng của phương pháp này ta có phương pháp hoán vị thích ứng Thời gian thực hiện các phép hoán vị và độ phức tạp của phương pháp được đánh giá thông qua số lượng

trung bình của phép hoán vị Cũng giống như phương pháp SLM, chuỗi dữ liệu hoán vị có PAPR nhỏ nhất sẽ được chọn để truyền đi

Có hai loại hoán vị là hoán vị ngẫu nhiên và hoán vị có chu kỳ Hoán vị ngẫu nhiên thực hiện hoán vị toàn bộ khối dữ liệu có N symbols và tạo thành những chuỗi giả ngẫu nhiên Ví dụ một chuỗi symbol có chiều dài N X = [X0, X1, X2,… XN-1] sẽ trở thành X‟ = [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2)… Xπ(N-1)] Chỉ số hoán vị π(N-1) được lưu trong bộ nhớ của cả bộ phát và bộ thu nên việc deinterleaving trở nên đơn giản

Đối với phương pháp hoán vị theo chu kỳ, cho 1 chu kỳ C và 1 khối dữ liệu có độ dài là C Phương pháp hoán vị có chu kỳ C ghi khối dữ liệu X = [ X0, X1, X2, ….XN-1] vào 1 ma trận có C dòng và R cột, với R = N/C theo từng cột Sau đó đọc khối dữ liệu ra X‟= [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2), ….Xπ(N-1)] theo từng dòng

Ta có ma trận:

Hình 3 6 Thuật toán Interleaving

 Hoán vị thích ứng [3]

Để đơn giản hơn trong quá trình tính toán cũng như làm giảm đi số lần hoán vị, người ta đưa ra phương pháp hoán vị thích ứng là mở rộng của phương pháp hoán vị thông thường Trong phương pháp hoán vị thích ứng, một mức PAPR sẽ được thiết lập trước gọi là ngưỡng, các giá trị PAPR mới của chuỗi dữ liệu sau khi hoán vị sẽ được so sánh với mức ngưỡng này Thuật toán hoán vị thích ứng sẽ được minh họa như hình 3.12

Hình 3 7 Thực hiện hoán vị thích ứng

3.4 Giảm PAPR bằng phương pháp Companding [5]

Companding = compressing ( nén ) + expanding ( giải nén )

Ý tưởng của phương pháp này xuất phát từ việc companding trong xử lý tiếng nói Tín hiệu OFDM có như tín hiệu tiếng nói vì các tín hiệu lớn chỉ xuất hiện một cách rất ngẫu nhiên, kỹ thuật companding trong xử lý tiếng nói được sử dụng để tăng khả năng truyền tín hiệu OFDM Các thuật toán được sử dụng là luật companding µ, A

Sử dụng kỹ thuật companding, những tín hiệu nhỏ sẽ được làm lớn lên, trong khi những tín hiệu lớn sẽ không thay đổi hoặc ít thay đổi hơn so với những tín hiệu nhỏ

3.4.1 Luật companding A [4]

Luật companding A được đề nghị sử dụng nhiều ở châu Âu Độ lớn mẫu giới hạn là 12 bits Biểu thức nén của luật A được cho bởi công thức sau:

y(x)={

)

Trong đó :

 A là hệ số nén ( Trong nén âm thanh ở châu Âu thì A=87.6)  x là tín hiệu vào

 y là tín hiệu ra

Trong hình 3.2, trục ngang là tín hiệu vào, trục đứng là tín hiệu ra của tín hiệu vào tương ứng theo phương trình luật A với A= 87,6

Ngược lại với biểu thức nén trên, ta có biểu thức giải nén A Biểu thức giải nén A sẽ phục hồi lại tín hiệu ban đầu từ tín hiệu nhận được Biểu thức giải nén của luật A được biễu diễn như sau:

y-1 = {

)

)

PR =

(**) Trong đó :

V: biên độ đỉnh của tín hiệu sau khi companding : biên độ đỉnh của tín hiệu trước khi companding Từ biểu thức (*) và biểu thức (**), ta có:

y = PR× (

)

) )

Hình 3 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ

Hình 3.9 là đồ thị của luật companding µ với hệ số nén µ=255, tín hiệu vào được chọn nằm trong khoảng [-1,1]

Biểu thức trên cho phép luật µ khuếch đại tất cả các tín hiệu vào bao gồm giá trị đỉnh bằng cách thay đổi giá trị của PR Nếu chọn PR=1, nghĩa là đồng nhất tín hiệu trước nén và sau nén Tín hiệu có biên độ thấp sẽ hơn sẽ được khuếch đại và các tín hiệu còn lại sẽ không thay đổi

3.4.3 Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật µ [5]