Hệ thống OFDM

Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Trong đó, đồ án tập trung nghiên cứu hai loại ước lượng tương đối đơn giản là MMSE và LS, so sánh 2 phương pháp ước lượ

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.

LỜI MỞ ĐẦU

Em xin chân thành cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện, cám ơn sự dạy bảo tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô khác trong trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Nguyễn Duy Nhật Viễn, người hướng dẫn của em và cô giáo Hoàng Lê Uyên Thục, đã tận tình chỉ bảo để cho em hoàn thành tốt đồ án này.

Để có được kết quả như ngày hôm nay, em rất biết ơn gia đình đã động viên khích lệ, tạo mọi điều kiện nhất trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô cùng các bạn

Đà Nẵng, ngày 02 tháng 06 năm 2008 Sinh viên

Lê Thị Bảo Quyên

MỤC LỤC

C/I Carrier to Interference Ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu.CP Cyclic Prefix

Tiền tố lặp.

(I)DFT (Inverse) Discrete Fourier TransformBiến đổi Fourier rời rạc (ngược).DSP Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số.

FDD Frequency Division Duplexing

Ghép kênh song công phân chia theo tần số.

FDM Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia theo tần số.FDMA Frequency Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần sốFIR Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu hạn

GI Guard Interval

Dải bảo vệ

ICI Inter Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh.

(I)FFT (Inverse) Fast Fourier TransformBiến đổi Fourier nhanh thuận (đảo).ISI Intersymbol Interference

Tuyến truyền dẫn thẳng.

MUX Multiplex Đa hợp

MMSE Minimum Mean Squared_Error

Lỗi quân phương tối thiểu.

NLOS Non Line Of Sight

Không có tuyến truyền dẫn thẳng.

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao.

PAPR Peak_to_Average Power Ratio (PAR)

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình.PN Pseudo Noise

Chuỗi giả ngẫu nhiên.PSK Phase Shift Keying

Điều chế số dịch pha.

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation

Điều biên cầu phương.QOS Quality of Service

Chất lượng dịch vụ.

(Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha (vuông góc).

SER Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi Symbol (kí hiệu)SNR Signal to Noise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

TDD Time Division Duplexing

Ghép song công phân chia thời gian.TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

U

UL UplinkTuyến lên.

UMTS Universal Mobile Telecommunnication System Hệ thống thông tin di động đa năng.

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU1.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kĩ thuật truyền mà trong đó tập hợp những sóng mang trực giao với nhau rồi truyền đồng thời Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống được fading chọn lọc tần số Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng 40 năm nhưng mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây Những sản phẩm ứng dụng kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area Network) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital Video Broadcasting).

OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao, do đó ngày càng có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM Việc ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông thông tin nói chung và hệ thống OFDM nói riêng Với niềm đam mê trong lĩnh vực DSP, cùng với ham muốn tìm hiểu kĩ thuật OFDM, em đã chọn đề tài nghiên cứu này cho đồ án tốt nghiệp của mình.

1.2 Mục đích của đồ án

Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM Trong đó, đồ án tập trung nghiên cứu hai loại ước lượng tương đối đơn giản là MMSE và LS, so sánh 2 phương pháp ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất (MMSE) và bình phương ít nhất (LS) cũng như tác động của các loại nhiễu và các hiện tượng đa đường đến hệ thống thông tin.

1.3 Bố cục của đồ án

Đồ án chia làm 5 chương :

Chương 1 : Giới thiệu khái quát đồ án

Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống

OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng

Chương 3 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến.

Chương 4 : Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong

hệ thống OFDM , trong đó đi sâu vào hai phương pháp ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất ( MMSE ) và bình phương ít nhất ( LS ).

Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 2KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM và các kết quả mô phỏng

2.2 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM.

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứng khác nhau đối với nhiễu.

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mất mát.

Hình 2.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM

2.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Hình 2.2:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

Hình 2.3: Phổ của OFDM và FDM

2.4 Tính trực giao

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu khác Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ Hình 2.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.

Hình 2.4: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM

Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ.

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (2.1)∫ = − = <=><=> ≠=

0 ( ) ( ) *δ( ) 0 (2.1)Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2 sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết quả bằng không.

2.5 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo

vệ và các sóng mang DC.

Hình 2.5: Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài nguyên

này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng

Hình 2.6: Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 2.7: Cấu trúc lát OFDM

Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.6) Trong kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3

2.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự Hình 2.8 là sơ

đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được nâng lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số.

Hình 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM

2.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc

Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu

2.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM2.6.2.1Mã hóa kênh

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

2.6.2.2Ánh xạ (mapping)

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều

chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM

constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q

Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

2.6.3Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng : ∑−

x , 0≤t ≤Ts (2.2) = ∑−

ftkj

∑−

(2.4)Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có :

a nexn

X δ = X(k) (2.5)Ở đây, hàm δ(m−k)là hàm delta, được định nghĩa là :

2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng

chiều dài của dạng sóng ký hiệu Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.

Hình 2.9: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, TG độ dài của khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:

Ts = TFFT + TG (2.7)Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu.

2.6.5 Điều chế RF

Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản Nó cần được nâng tần trước khi truyền dẫn Việc nâng tần có thể thực hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số

2.7 Đồng bộ

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này 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)

2.7.1Đồng bộ kí tự

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

Lỗi thời gian

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết

công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization) Trong bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay không Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho tương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước) xác định đỉnh tự tương quan để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ) Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tin pilot và giá trị ước lượng kênh

Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta đi xét sự sai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lấy mẫu Đặt giá trị sai lệch này là d(k) = r(k)-r(k+N) Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lại nằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên d(k) có giá trị rất bé công suất của d(k) rất bé Nếu không nằm trong trường hợp trên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của một ký tự OFDM) thì d(k) có giá trị lớncông suất của d(k) khá lớn Nếu dùng một cửa sổ trượt có chiều dài đúng bằng chiều dài của tiền tố lặp thì công suất ra có giá trị bé nhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới  xác đinh được thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM

Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)

Hình 2.10: Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●)

Ước lượng tần số

Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và

đồng bộ tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra

2.7.3Đồng bộ tần số lấy mẫu.

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO)

Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

2.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM2.8.1Ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được

OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT

2.8.2Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cống suất lớn HPA (high-power amplifier) Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác.

2.9 OFDM trong hệ thống

Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập đến khi thực hiện hệ thống OFDM Trong hầu hết hệ thống di động, không riêng hệ thống OFDM , một vài dạng mã hóa kênh truyền được dùng để giảm BER (bit error rate) bằng cách tạo ra sự dư thừa Đó cũng là vấn đề của hệ thống OFDM bởi vì phần đầu của mã hóa kênh thường là nhỏ hơn rất nhiều so với việc phải truyền lại toàn phần tin tức bị lỗi.

Thông thường sự truyền thông sẽ diễn ra theo 2 hướng, ví dụ giữa BS(base station) và user hoặc ngược lại Có hai cách chính để thực hiện điều đó trong hệ thống OFDM đó là: FDD(Frequency Divison Duplex) và TDD(Time Division Duplex) Trong hệ thống FDD, đường xuống (từ BS đến user) và đường lên (từ user đến BS) được phân cách nhau bởi hai dải tần số khác nhau Trong hệ thống TDD, đường lên và đường xuống cùng tần số nhưng được trải trong những khoảng thời gian khác nhau.

Như đã nói ở phần đầu, một vài dạng của mã hóa kênh truyền thường được dùng để giảm BER(bit error rate) Không những thế, một hệ thống OFDM còn đòi hỏi thêm bộ ước lượng độ dịch tần số và ước lượng kênh truyền để đạt được chất lượng tối ưu Bộ ước lượng độ dịch tần số đòi hỏi phải đếm ảnh hưởng của sự chênh lệch tần số giữa bộ dao động nội ở vị trí thu và vị trí nhận (sự chênh lệch này có thể phá hủy sự trực giao của hệ thống) Nếu như các sóng mang con không trực giao, chúng sẽ gây ra ICI và do đó thông tin gởi đi sẽ rất khó khăn để khôi phục lại Bởi vì mục đích của đồ án là ước lượng kênh truyền cho nên độ dịch tần số được xem như lý tưởng Trong trường hợp ước lượng kênh truyền, đầu tiên ta sẽ ước lượng trong miền tần số (sau khi giải mã tín hiệu OFDM)

Cách thường hay sử dụng nhất để ước lượng kênh truyền và độ dịch tần số là dùng kí hiệu pilot Kí hiệu pilot là kí hiệu đã được bên thu và bên nhận biết trước Tương quan giữa fading kí hiệu pilot và fading của kí hiệu thông tin dữ liệu được gởi đi gần với kí hiệu pilot trong miền thời gian và trong miền tần số là rất mạnh mẽ Dưới đây là một ví dụ về sự phân bố pilot

Kí hiệu dữ liệu

Kí hiệu pilot Kí hiệu null

Hình 2.11: Một ví dụ về sự phân bố pilot

Ta làm quen với một khái niệm mới, đó là kí hiệu null Kí hiệu null thông thường được gởi trên sóng mang con null, đó đơn giản là sóng mang con không có nội dung Một vài hệ thống truyền thông OFDM sóng mang con null như là một khoảng bảo vệ sao cho hệ thống OFDM không nhiễu sang hệ thống khác có tần số hoạt động gần giống nhau Cột thẳng đứng trên hình trên tương đương với một kí hiệu OFDM , trong ví dụ trên ta có 8 kí hiệu OFDM

2.10 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM

1) Xác định băng thông dành cho kênh truyền (B)2) Xác định giá trị trải trễ lớn nhất của kênh truyền τd

3) Chọn khoảng thời gian tiền tố vòng Tcp cho mỗi một ký tự OFDM phải lớn hơn giá trị trải trễ lớn nhất τd, thông thường chọn cpT = 4.τd để loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI

Thời gianSóng mang

con

4) Chọn khoảng cách giữa các sóng mang ∆ =f 1/Ts để đảm bảo tính trực giao giữa

các sóng mang

5) Xác định thời gian tổng cộng của một ký tự OFDM : Tf = +TsTcp

6) Xác định số sóng mang phụ (số kênh con) là N =B/∆f

2.11 Một số ứng dụng của 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 Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB.

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 thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số.

Các 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 Với tính ưu việt của nó, kĩ 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, camera giám sát, 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, đa điểm trong các điều kiện bị che chắn.

điểm-Sự kết hợp công nghệ modem OFDM và điều chế thích nghi linh hoạt chỉ có trong thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng và là các yếu tố chính tạo nên tính năng nổi trội trong các sản phẩm viễn thông

2.12 Mô phỏng

Trong phần mô phỏng, ta sẽ lần lượt mô phỏng đặc tính của kênh truyền, tín

hiệu OFDM phát, thu trong miền tần số, thời gian Đồng thời, để thấy rõ ưu điểm của kỹ thuật OFDM, ta cũng sẽ mô phỏng tín hiệu QAM đơn sóng mang (với cùng một chuỗi nhị phân phát như trong kỹ thuật OFDM) trong miền thời gian và miền tần số, từ đó xác định tỷ lệ BER khi truyền bằng kỹ thuật OFDM và khi truyền bằng điều chế 16-QAM đơn sóng mang.

Dap ung bien do cua kenh

Dap ung pha cua kenh

Tin hieu nhi phan OFDM phat

Tin hieu nhi phan OFDM thu

Tin hieu OFDM phat

Tin hieu OFDM thu

Hình 2.13 Tín hiệu OFDM phát và thu.

tin hieu OFDM thu trong mien tan so

tin hieu OFDM phat trong mien tan so

-505

Tin hieu nhi phan QAM phat

Tin hieu nhi phan QAM thu

Tin hieu QAM phat

Tin hieu QAM thu

Hình 2.15 Tín hiệu QAM phát và thu

Tin hieu QAM thu trong mien tan so

Tin hieu QAM phat trong mien tan so

-505

Kết quả tính BER khi truyền dữ liệu bằng kỹ thuật OFDM và QAM

Hien thi ket qua OFDM: BER=0 % va so bit loi la =0QAM: BER=25.9 % va so bit loi la =7

Nhận xét :

Qua kết quả mô phỏng, ta nhận thấy rõ ưu điểm nổi trội của kỹ thuật OFDM so với kỹ thuật QAM đơn sóng mang Với cùng một chất lượng kênh truyền như nhau thì OFDM cho tỷ lệ BER thấp hơn nhiều so với QAM Cụ thể, trong kết quả hiển thị trên, tỷ lệ BER = 0 tương ứng với OFDM và tỷ lệ BER = 25.9% tương ứng với QAM

2.13 Kết luận chương

Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của một hệ thống OFDM : mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, một số kết quả mô phỏng hệ thống OFDM bên phát và bên thu Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày về một trong những vấn đề quan trong nhất trong hệ thống đó là ước lượng kênh truyền.

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng và một số kết quả mô phỏng Ngoài ra vấn đề về dung lượng kênh vô tuyến cũng được đề cập đến.

3.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như : nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang

3.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Hình 3.1: Minh họa phân tập đa đường

Tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ khác nhau Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được từ các tuyến truyền dẫn khác nhau đó Mỗi tuyến truyền dẫn như vậy sẽ có tần số khác nhau Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu thu được ở mỗi tấn số khác nhau là khác nhau cho dù ở máy phát phát đi hai tín hiệu cùng biên độ Hiện tượng này chính là hiện tượng

fading ở miền tần số Kênh truyền phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở

miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Thực chất của hiện tượng phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc vào giá trị tần số của tín hiệu phát

3.4 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian (time_invariant channel impulse)

3.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian:

Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp không có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Đối với kênh này, cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của nó đều không phụ thuộc thời gian.

3.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh (channel impulse response)

Đáp ứng xung của kênh là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn gọi là xung Dirac δ(t) (Dirac impulse).

*Định nghĩa của xung Dirac:

Xung δ(t)được định nghĩa là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau:

δ∞ =

(2.1)Và +∞∫

+τk trễ truyền dẫn tương ứng với tuyến k

+ak hệ số suy hao

+Np số tuyến truyền dẫn.

3.5 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian (time-invariant channel transfer function)

Hàm truyền đạt của kênh là

Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể nhận biết được ở miền tần số nào tín hiệu bị suy hao tương ứng với độ fading lớn (deep fading), hoặc ở miền tần số nào tín hiệu ít bị suy hao Thực chất hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong môi trường truyền dẫn phân tập đa đường đều có fading ở miền tần số Độ phụ thuộc vào tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng băng tần tín hiệu.

3.6 Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh (coherence bandwidth of the channel)

Bề rộng độ ổn định về tần số của kênh được định nghĩa như sau:

Ở phương trình trên (∆f )C là bề rộng độ ổn định tần số của kênh còn τrms là trễ

truyền dẫn hiệu dụng của kênh Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng độ ổn định tần số của kênh mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số hay không.

Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ thống:

3.7 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Bản chất của hiện tượng này là phổ của tần số bị xê dịch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng Hiệu ứng Doppler còn gây ra sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến (time-variant channel) sẽ được giới thiệu ở mục sau.

Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển động của máy thu là φK, khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là :

3.8 Kênh phụ thuộc thời gian

Sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler và hiện tượng phụ thuộc vào thời gian của kênh Sự phụ thuộc vào thời gian của đáp ứng xung của kênh vô tuyến được biểu diễn ở phương trình dưới đây:

fjK

+ fDK : tần số Doppler

+t: thời gian tuyệt đối (liên quan đến thời điểm quan sát kênh)

Trong trường hợp kênh truyền dẫn là quá trình dừng thì thời điểm quan sát kênh không đóng vai trò quan trọng.

Đáp ứng xung của kênh là phép biểu diễn toán học của kênh ở miền thời gian Biến đổi Fourier của đáp ứng xung của kênh cho ta hàm truyền đạt của kênh Vậy hàm truyền đạt là phép biến đổi toán học của kênh ở miền tần số Hàm truyền đạt của kênh do vậy được biểu diễn như sau:

3.9 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh (coherence duration of the channel)

Định nghĩa về độ ổn định thời gian của kênh)

Tùy thuộc vào sự so sánh giữa bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh với độ dài mẫu tín hiệu sẽ cho ta kết quả liệu kênh vô tuyến đựoc gọi là kênh phụ thuộc thời gian hay không.

Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu của hệ thống

SCTt >>∆ )

thì kênh truyền dẫn của hệ thống được coi là phụ thuộc thời gian (time-variant channel)

3.10 Các mô hình kênh cơ bản3.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn:

+Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội.

+Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau.

Hàm mật độ xác suất của kênh phân bố Rayleigh)

fy =

Hình 3.2 : Phân bố Rayleight

3.10.2 Kênh theo phân bố Rice

Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với các tuyến khác Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice

3.11 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kênh

Trong mục này ta phân loại ra hai loại tín hiệu phát: Tín hiệu phát thuộc về lớp hàm xác định (deterministic function) và tín hiệu phát thuộc về lớp các hàm xác suất.

3.11.1 Tín hiệu phát là hàm xác định

Hình 3.3: Mô hình kênh tuyến tính

Hình (3.3) mô tả quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh Do kênh truyền dẫn là tuyến tính nên quan hệ này được biểu diễn ở phương trình sau đây:

y(t) = x(t)*h(τ)=+∞∫

− ) ( )(t τ hτ

Trong đó x(t) là một hàm xác định nào đó và là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(τ) là đáp ứng xung của kênh Ở miền tần số thay vì phép cuộn của tín hiệu phát với kênh truyền là phép nhân như ở phương trình sau

Tín hiệu phát

Mô hình kênh

Tín hiệu thu