Mô phỏng truyền dẫn OFdm thích ứng trong thông tin vô tuyến

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp ngành viễn thông Mô phỏng truyền dẫn OFdm thích ứng trong thông tin vô tuyến

-o0o -ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên : Dương Minh KhiêmLớp : D2001-VT

Khoá : 2001 – 2006

Ngành : Điện tử – Viễn thông

TÊN ĐỀ TÀI : "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN"

NỘI DUNG ĐỒ ÁN :

Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến

Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDMPhần V: Chương trình mô phỏng

Ngày giao đề tài: 27/07/2005Ngày nộp đồ án: 27/10/2005

Hà Nội, ngày tháng năm 2005Giáo viên hướng dẫn

Ts Nguyễn Phạm Anh DũngKs Nguyễn Viết Đảm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

Lời nói đầu

Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ pháttriển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu,cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư đã và đang được khẳng định nhờvào việc trao đổi thông tin Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập,cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm Điều này thể hiện rấtrõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử Trong xã hội thông tinđó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềmdẻo, di động, tiện lợi của nó Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di độngngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến giatăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tàinguyên vốn có của thông tin vô tuyến Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tàinguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết dẫnđến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịchvụ viễn thông Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngànhcông nghiệp có liên quan phải giải quyết Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vôtuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật,công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìmmọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã Tuynhiên chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưuphổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến Giá trị tài nguyênphổ tần có thể được thấy qua cuộc bán đấu giá đăng ký phổ tần vô tuyến cho 3G tạiChâu Âu bắt đầu trong năm 1999 Anh quốc chỉ với 90 MHz đã kết thúc cuộc bán đấugiá với 22.5 tỷ bảng Anh [5] Đối với Đức kết quả cũng tương tự, với 100 MHz băng tầnchi phí lên đến 46 tỷ USD [6] Điều này tương đương với 450 triệu USD/MHz Thờigian sử dụng phổ tần chỉ kéo dài 20 năm [7] Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt đểcho hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng Trong bối cảnh như vậyOFDM được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụngphổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép côngnghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến Mặt khác OFDM sửdụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụngbăng tần kênh tối ưu Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như:DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2 đều không dùng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưuhiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bấtlợi của kênh truyền vô tuyến di động.

Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành vô tuyến mà bản thân quan tâm, lĩnh hộiđược trong quá trình học tập tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Với các

kiến thức cơ bản về chuyên môn lĩnh hội được cùng với sự định hướng của thầy giáo Ts.

Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề

nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằmcó được hiệu suất sử dụng băng tần cao Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng, cụ thể

là : "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến" Ý tưởng

thích ứng là: khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi

về thông lượng (BPS) Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảmbảo chất lượng dịch vụ (QoS) Nhưng trước tiên cần xác định được đặc tính môi trườngtruyền dẫn (kênh truyền), trên cơ sở đó sẽ thích ứng các tham số điều chế theo kênhtruyền Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau.

Chương 1: Giới thiệu chung

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

Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động

Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến, phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng chương 5

Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM

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

Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh

Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác Qua đó, đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM.

Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng

Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ sở đólựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và thích ứng chọn lọc sóng mang Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang

Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng phục vụ cho mô phỏng Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng Trên cơ sở liên kết các phần tử,xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng Đánh giá hiệu năng giữa các hệ thống dùng cơ chế thích ứng và giữa hệ

hiệu năng (BER) và hiệu năng thông lượng (BPS) giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng.

Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của

thầy giáo Ts Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks Nguyễn Viết Đảm và ý kiến

đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân,đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định Tuynhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót,kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướngnội dung cho hướng phát triển tiếp theo.

Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Ts Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks.

Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến, khoa viễn thông I và các

bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.

Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2005

Người làm đồ án

Dương Minh Khiêm

Mục lục

Chương 1: Giới thiệu chung 1

1.1 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành 2

1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 3

Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động 4

2.4 Miền thời gian 7

2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương 7

2.4.2 Trễ trội cực đại 8

2.4.3 Thời gian nhất quán 8

2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau 8

2.5.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương 8

2.5.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler 9

2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 9

2.7 Phân bố Rayleigh và Rice 10

2.7.1 Phân bố pha đinh Rayleigh 10

2.7.2 Phân bố Pha đinh Rice 12

2.8 Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số 13

2.8.1 Mô hình kênh trong miền thời gian 13

2.8.2 Mô hình kênh trong miền tần số 15

2.9 Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số 16

2.10 Kết luận 19

Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM 21

3.1 Mở đầu 21

3.2 Tính trực giao 21

3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 24

3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM 24

3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 25

3.2.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 27

3.3.2.1 Tầng điều chế sóng mang con 27

3.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 28

3.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 28

3.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 30

3.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 30

3.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD 31

3.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 32

3.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 33

OFDM và các giải pháp khắc phục 34

3.5.1 ISI và giải khắc phục 34

3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 37

3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 40

3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM423.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông 43

3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng 47

3.6 Kết luận 50

Chương 4: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh 51

4.1 Giới thiệu 51

4.2 Ước tính kênh bằng PSAM 51

4.2.1 Nội suy Gauss 52

4.2.2 Nội suy FFT 52

4.2.3 Nội suy Wienner 54

4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh 54

4.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không 55

4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE 56

4.4 Kết luận 58

Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng 59

5.1 Giới thiệu 59

5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng 60

5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng 60

5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng 61

5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng 62

5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 62

5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con 63

5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế 64

5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang 66

6.2.2 Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng 76

6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng 84

6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng 84

6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 87

6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng 87

6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế 89

6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang 92

6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang 94

6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng 97

6.5 Kết luận 105

Kết luận 106

Tài liệu tham khảo 107

Danh mục bảng

Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS 1

Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM 2

Bảng 2.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 9

Bảng 2.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian 20

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa các tham số OFDM 32

Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân 41

Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a 48

Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu 65

Bảng 6.1Thông số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM 76

Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng 79

Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế 89

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1 Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian 5

Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss trong không gian 11

Hình 2.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, .12

Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, .13

Hình 2.6 Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình 15

Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100,kích thước FFT =300 17

Hình 2.8 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS 18

Hình 2.9 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số 18

Hình 2.10 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau 19

Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số 23

Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần củaOFDM so với FDM 23

Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con 24

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 26

Hình 3.5 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênhvô tuyến, SNR = 18 dB 27

Hình 3.6 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM 28

Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tươngtự 28

Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 29

Hình 3.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian 29

Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần sốtrung tâm 30

Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM 30

Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 32

Hình 3.13 Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM 35

Hình 3.14 Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian 35

Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 36

Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI 37

Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau 38

Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu 38

Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM N=102 39

Hình 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2) 40

Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024-QAM 42

Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4, 44

Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với , và .44

Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùngbộ lọc 45

Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổKaiser với (b) 45

Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với .46

Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc 47

Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC 47

Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RCchồng lấn 48

Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dàikhoảng bảo vệ RC thay đổi 49

Hình 3.33 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dàikhoảng bảo vệ RC thay đổi 49

Hình 3.34 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dàikhoảng bảo vệ RC thay đổi 49

Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu 51

Hình 4.2 Giải thuật FFT 52

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyềndẫn 53

Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính 56

Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng 60

Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng 61

Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng 61

Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế 65

Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫnOFDM 69

Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định 70

Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn 71

Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 75

Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang 77

Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang 78

Hình 6.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT 79

Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian 79

Hình 6.6 Đáp ứng xung kim của kênh 82

Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh 82

AM Adapting Multi-access scheam Thích ứng lược đồ đa truy nhậpAOFDM Adaptive Orthogonal Frequency

Division Multi-Access Đa truy nhập phân chia theo tần sốtrực giao thích ứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

CINR Carrier to interference plus Noise

DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số

DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tựDC Direct Current Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’)DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc

DDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếpDFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi quyết định

DSP Digital Signal Process Xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcast Truyền hình sốFEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanhFIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạnHDTV Hight Difinition Television Truyền hình độ nét caoHiperLAN2 High Performance Radio Local Area

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

Chuẩn WLAN của Châu Âu choOFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

OFDM, with a maximum data rateof 54 Mbps.

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM vớitốc dộ dữ liệu tối đa là 54 MbpsIEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on

DSSS, with maximum data rate of11 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSSvới tốc độ dữ liệu tối đa là 11 MbpsIFFT Inverse Fast Fourier

Transformation Biến đổi Fourier ngược nhanhIMD Inter-Modulation Distortion Nhiễu điều chế nội

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu

JPEG Joint Photographic Experts Group

(Image compress standard) Định dạng file ảnh tĩnh ở chế độ nénLM-MSE LinEariry-Mean Square error

Equalizer Bộ cân bằng sai số bình phương cựctiểu tuyến tính

MIMO Multi-Input and Multi-Output Hệ thống đa đường vào đa đường raMMSE Maximum Mean Square error

Estimation Ước tính cực đại trung bình lỗi bìnhphương

MPEG Moving Picture Experts Group

(Video compress standard) Định dạng file ảnh động ở chế độnén

M-PSK M-Phase Shift Keying Khoá dịch pha M trạng tháiMSE Mean Square Error Trung bình lỗi bình phươngOFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình

PSD Power Spectrum Density Hàm mật độ phổ công suất

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

QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phươngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RMS Root Mean Squared value Giá trị căn bậc hai trung bình quânphương

SINR Signal to Interference Plus Noise

Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âmSNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàncầu

W-CDMA Wide Band Code Division

Multi-Access Đa truy nhập phân chia theo mãbăng tần rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội vùngZF Zero Forcing equalizer Bộ cân bằng cưỡng bức không

Giới thiệu chung

Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lạihiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng Vì thế nhucầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầungày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnhnày ở nhiều hình thức khác nhau Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩytăng trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh Theo đó, ngày càng xuấthiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệtđể tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, vídụ như mạng không dây nội hạt (WLAN) Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũcủa Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn.Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) vàCDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầuđạt được những thành công đáng kể Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ màUMTS hỗ trợ:

Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTSDịch vụTốc độ dữ liệu yêu cầuChất lượng dịch

vụ yêu cầuthời gian thựcYêu cầu tính

Đối với những ứng dụng trong môi trường di động ô, thấy rõ trong tương lai gần một sựhội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet, và nhiều ứng dụngtiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi vànhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động Khi đó chỉ với một chiếcđiện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghịtruyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu

yêu cầu sẽ >30 Mbps Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động thế hệ ba hiệnnay chưa đáp ứng được Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổtần và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động Hiện nay các hệ thống WLAN,HiperLAN/2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốcđộ truyền dữ liệu rất cao Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở côngnghệ OFDM Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thốngnày:

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

1.1 Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành

 Kỹ thuật đơn sóng mang

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba cókhả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiệnđược chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ sốtrải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thờigian thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế Mặt khác, thấy rõ

 Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.

 Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất lớn.

Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyềnlan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao Ở các phương pháp điều chếtruyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng kýhiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênhsẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu Đây là một nhược điểm chínhkhiến các hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữliệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệucao.

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đađường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phụcnhững nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.

1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều chế có thể thaythế cho CDMA OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ thống CDMA và cung cấpphương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G.

Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiều sóng mang con trựcgiao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con này song song Theo đó, luồngdữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệutăng theo số sóng mang con.

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

 Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm(do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn toàn làmột số ký hiệu cạnh nhau bị méo.

 Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số vàcông nghệ vi mạch VLSI.

 Nhược điểm

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

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

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến.Các yếu tố này là:

 Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy hao nằm

trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách

 Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo

tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông của hệthống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoagiữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).

 Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây

nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung.

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinhphạm vi hẹp" Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thuđược tại các khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với các khoảng cách lớn (vàikm), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng Pha đinh phạm vi rộng đượcbiểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sựthăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thờigian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn Pha đinh trong trường hợp này gây ra dotruyền sóng đa đường

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đườngtruyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau Hình2.1(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biênđộ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian(hay phân tập không gian) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc khônggian Hình 2.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tầnsố khác nhau Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và phađinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số Hình 2.1(c) cho thấy rằng trong miềnthời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau Ta gọi đặc tính

(pha đinh phân tập tần số), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ) Chươngnày sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số.

Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụng chúng trong cácgiải thuật điều chế thích ứng của mình.

2.2 Miền không gian

Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc khônggian Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gianthuộc loại pha đinh phạm vi hẹp Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá côngsuất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giátổn hao đường truyền Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thểhiện rõ các đặc tính ngẫu nhiên Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hayphân tập không gian).

 Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu làmột hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác Một số mô hình xét chi tiếtvề địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số chỉ xét tần số và khoảngcách Chiều cao anten là một thông số quan trọng Tổn hao do khoảng cách truyền dẫnsẽ tuân theo quy luật hàm mũ

trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường trong nhà,a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát.Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so vớikhoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà Hơn nữa tại mọikhoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu

Hình 2.1 Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian

nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảngcách) Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tạikhoảng cách d như sau:

(2.2) Trong đó là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cáchphát thu d; X là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệchchuẩn  (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, nlà mũ tổn hao đường truyền.

Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời giancho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với một độ rộng băng tần chotrước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau Nói một cách khác, phađinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thờigian).

Từ phương trình 2.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá thống kê phạmvi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên Ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do pha đinhphạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thờigian) Ảnh hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiềuanten MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹthuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng vàdung lượng hệ thống

Trong đó  là tốc độ của MS,  là bước sóng,  là góc giữa phương chuyển động củaMS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang Từ phương trìnhcho trên thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler là dương và tần số thu sẽtăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thuđược sẽ giảm Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làmtăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi  và (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đếntrải Doppler.

Đồ án sẽ phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số: băngthông nhất quán Băng thông nhất quán là một số đo thống kê của dải tần số trên mộtkênh pha đinh được coi là kênh pha đinh "phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phầnphổ được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính) Băng thông nhất quáncho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tương quan Băng thông nhấtquán xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế có ý nghĩa cơ sở trong việcthích ứng các thông số điều chế Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ (xemphần 2.5) Pha đinh chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng Trong cùng một kênhpha đinh phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnhhưởng của pha đinh Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh vi sai), mộtsố đoạn phổ của tín hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thểhiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độrộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởngcủa pha đinh chọn lọc ( phân tập tần số) Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu.

2.4 Miền thời gian

Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổitheo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian Có thể mô hình hóa kênh vô tuyếndi động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Môhình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trongmiền thời gian Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếpvới đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tínhiệu thu và h(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thờigian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh nhưsau:

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

2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS:Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trung tâm của lý lịch trễ côngsuất RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh Vì thế được sử dụng để đánh giá ảnhhưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI).

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

2.4.2 Trễ trội cực đại

Trễ trội cực đại (XdB) của lý lịch trễ công suất được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đónăng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại.

2.4.3 Thời gian nhất quán

Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán Thời gian nhất quán xácđịnh đặc tính "tĩnh" của kênh Thời gian nhất quán là thời gian mà ở đó kênh tương quan

rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, được ký hiệu là Tc Các ký hiệu khác nhau truyềnqua kênh trong khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng pha đinh như nhau Vì thếnhận được một kênh pha đinh khá chậm Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bênngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng pha đinh khác nhau Khi này kênh pha đinhkhá nhanh Như vậy dưới tác động của pha đinh nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽchịu tác động pha đinh lớn hơn các phần khác Đồ án sẽ nghiên cứu thuộc tính này đểphát triển giải thuật điều chế thích ứng của mình Bằng cách thiết lập giá trị cho mộtthông số nhất định, sẽ nhận đựơc kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh vànhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn

2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khácnhau

Đồ án đã chỉ ra các đặc tính kênh và các thông số của nó trong các miền không gian, tầnsố và thời gian Các đặc tính này không tồn tại độc lập nhau mà có quan hệ mật thiếtgiữa các miền xét Một số thông số trong miền này ảnh hưởng lên các đặc tính của miềnkhác.

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

Thấy rõ, lý lịch trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan hệvới nhau qua biến đổi Fourrier Vì thế, có thể trình bầy kênh trong miền tần số bằngcách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó Tương tự như các thông số trải trễtrong miền thời gian, ta có thể sử dụng băng thông nhất quán để đặc trưng kênh trongmiền tần số Tuy trải trễ trung bình quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông nhất quánvà ngược lại, song quan hệ chính xác của chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đađường Nếu ký hiệu băng thông nhất quán là BC và trải trễ trung bình quân phương là ,thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thông nhất quán có quan hệ sau

Cho thấy hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, nên chỉ cần xét một thông sốtrong quá trình thiết kế hệ thống.

2.5.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler

Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông số kênh trongmiền thời gian và có tính đối ngẫu với trải Doppler Trải Doppler và thời gian nhất quánlà hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau Nghĩa là:

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

2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) và cácthông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler, …), mà xác định loại phađinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đa đường và pha đinh chọn lọc tần số.Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc kênh là phađinh 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 đếntán tần và pha đinh chọn lọc thời gian, vì thế dựa vào trải Doppler để phân loại pha đinhphạm vi hẹp thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm Trải Doppler là một thông sốtrong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi nhanh hay chậm lại thuộc miềnthời gian Vậy trong trường hợp này, trải Doppler, thông số trong miền tần số, ảnhhưởng lên đặc tính kênh trong miền thời gian Biết được các quan hệ này sẽ trợ giúptrong quá trình thiết kế hệ thống Bảng 2.1 liệt kê các loại pha đinh phạm vi hẹp.

Bảng 2.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Cơ sở phân loạiLoại Pha đinhĐiều kiện

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

Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín hiệu phát, tínhiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng Khi này chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với trải trễ đađường của kênh Ngược lại, nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tầntín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh chọn lọc tần số, khi này chu kỳ tín hiệu nhỏ hơntrải trễ đa đường kênh Khi đó, tín hiệu thu bị méo dạng dẫn đến nhiễu giao thoa giữacác ký hiệu (ISI) Ngoài ra việc lập mô hình các kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp

hơn nhiều so với lập mô hình kênh pha đinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênh pha đinhchọn lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến tính Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênhpha đinh phẳng cho tín hiệu truyền dẫn Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đađường hay băng thông nhất quán, nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băngtần tín hiệu để đạt được kênh pha đinh phẳng Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiệnhiệu năng truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích ứngđể đạt được kênh pha đinh phẳng thay vì kênh pha đinh chọn lọc.

Dựa trên trải Doppler, để phân loại kênh thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm Nếuđáp ứng xung kim kênh (trong miền thời gian) thay đổi nhanh trong chu kỳ ký hiệu,nghĩa là nếu thời gian nhất quán kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu phát, kênh sẽgây ra pha đinh nhanh đối với tín hiệu thu Điều này sẽ dẫn đến méo dạng tín hiệu Nếuđáp ứng xung kim kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với kí hiệu băng gốcphát, kênh sẽ gây ra pha đinh chậm đối với tín hiệu thu Trong trường hợp này kênh tỏra tĩnh đối với một số chu kỳ ký hiệu Tất nhiên ta muốn có pha đinh chậm vì nó hỗ trợchất lượng truyền dẫn ổn định hơn Ta không thể xác dịnh Doppler khi thiết kế hệ thống.Vì thế, khi cho trước trải Doppler, ta cần chọn độ rộng băng tần tín hiệu (băng thôngsóng mang con) trong giải thuật điều chế thích ứng để nhận được kênh pha đinh chậmthay vì kênh pha đinh nhanh Như vậy ta sẽ đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn.

2.7 Phân bố Rayleigh và Rice

Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Rayleigh và Rice đượcsử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu pha đinh phẳng.Trong phần này đồ án sẽ xét các phân bố này và đưa ra các đặc tính cơ bản của chúng.

2.7.1 Phân bố pha đinh Rayleigh

Có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phânbố Gauss vuông góc Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố pha đinh Rayleigh đượcbiểu diễn như sau:

(2.10)

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

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

Phương sai của phân bố Rayleigh, (thể hiện thành phần công suất xoay chiều trongđường bao) được xác định như sau:

Trong phần trên có nói đến phân bố Gauss của các thành phần tín hiệu thu Hàm mật độxác suất đa biến (PDF) của phân bố Gauss được biểu diễn:

Trong đó x là vector ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx là vector giá trị trungbình của vector x, Cx là ma trận đồng phương sai Hàm phân bố Gauss một biến giá trịthực sẽ có dạng:

(2.14)Hàm phân bố Gauss cho vector hai chiều được cho trong hình 2.4.

Hình 2.3 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, , [sim_rayleigh.m]

2.7.2 Phân bố Pha đinh Rice

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị pha đinh) vượt trội, đường truyền trựctiếp (LOS), phân bố đường bao pha đinh phạm vi hẹp có dạng Rice Trong phân bốRice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc khác nhau và xếpchồng lên tín hiệu vượt trội này

Phân bố Rice được biểu diễn như sau:

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

Phân bố Rice thường được mô tả bằng thừa số K như sau:

2.8 Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số2.8.1 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 pha đinh đa đường có thể được đặc trưng theo toán học bằng bộ lọctuyến tính thay đổi theo thời gian Trong miền thời gian, có thể rút ra tín hiệu đầu rakênh bằng tích chập tín hiệu đầu vào kênh với hàm đáp ứng xung kim kênh thay đổitheo thời gian h(,t) Có thể biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh như sau:

Trong đó i (t), i(t), i(t) biểu thị cho biên độ, pha và trễ vượt trội đối với xung thu thứnhất (đường truyền i);  biểu thị cho trễ vượt trội, sự phụ thuộc t cho thấy thay đổi theothời gian của chính cấu trúc xung kim và (.) biểu thị cho hàm Delta Dirac Thôngthường thì trễ của tia đầu tiên (đường truyền ngắn nhất) được định nghĩa 0=0, vì thếi>0 được gọi là trễ vượt trội và đáp ứng xung kim kênh mang tính nhân quả

Lưu ý rằng 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 thayđổi 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 lý lịch trễ công suất(PDP), PDP là một hàm được rút ra từ đáp ứng xung kim PDP được xác định như sau:

Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, , [sim_rice.m]

(2.18)Thông số đầu tiên là công suất thu (chuẩn hóa), là tổng công suất của các tia:

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

 Nếu ta coi rằng tất cả các đường truyền đều được tạo ra từ cùng một quá trìnhthống 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 địnhtheo phương trình 2.10) và PDF biên độ của tất cả các đường truyền (gồm cả LOS) sẽtuân theo phân bố Rice (xác định theo phương trình 2.15)

 Hình 2.6 cho thấy mô hình của lý lịch trễ công suất trung bình (PDP: PowerDelay Profile) cho một kênh vô tuyến đa đường Đường đầu tiên là LOS có công suấtlớn nhất Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đócác đường có công suất giảm tuyến tính theo dB Có thể biểu diễn PDP này theo dB nhưsau:

Trong đó (0) thể hiện cho biên độ tín hiệu đi thẳng, () biểu thị biên độ của tín hiệutruyền theo đường đến máy thu tại trễ , LOS thể hiện hiệu số giữa công suất tín hiệu đithẳng với công suất tín hiệu của phần mức không đổi và Z là độ dốc của phần giảmtuyến tính trong PDP Nếu sử dụng quan hệ nói trên cho phân bố Rice, sẽ nhận đượccông suất/biên độ của tín hiệu di thẳng từ thừa số K trong phương trình (2.20) và biên độtín hiệu của các đường còn lại theo quan hệ này

2.8.2 Mô hình kênh trong miền tần số

Mô hình kênh trong miền tần số được trình bầy ở dạng phổ công suất trễ (DPS: DelayPower Spectrum) như ở hình 2.6 DPS trong trường hợp này biểu diễn hàm truyền đạtkênh, Mô hình này nhận được từ chuyển đổi Fourier đáp ứng xung của kênh (xemphương trình (2.23)) Quá trình này cũng chứng tỏ rằng tán thời của kênh dẫn đến kênhmang tính chọn lọc tần số như đã nói ở phần 2.5 và 2.6 Sử dụng biến đổi Fourier chođáp ứng xung kênh, ta được:

trong đó:

, mô tả đáp ứng xung kim trong miền thời gian.

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

Hình 2.6 Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình

Dạng của DPS (Delay Power Spectrum: Phổ công suất trễ) được giả định giống nhưdạng của PDP trung bình (Power Delay Profile: Lý lịch trễ công suất), vì thế có thể sửdụng một công thức để biểu diễn cả hai mô hình này Bằng cách định nghĩa :

Trong đó p(0)=|h(0)|2 biểu thị công suất thành phần sóng đi thẳng (LOS),  biểu thịthành phần không đổi của mật độ phổ công suất,  biểu thị mũ giảm và được xác địnhnhư sau , z đo bằng dB/ns biểu thị cho độ dốc phần giảm tuyến tính của PDF.Ta định nghĩa công suất thu chuẩn hóa (NRP: Normalized Received Power) là tỷ số giữacông suất thu và công suất phát như sau:

Trong đó PR ký hiệu cho công suất thu còn PT ký hiệu cho công suất phát

Từ h() định nghĩa theo (2.24), có thể rút ra các biểu thức liên quan đến NRP, thừa số Kvà trải trễ trung bình quân phương  như sau:

2.9 Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số

Trong mô hình kênh miền tần số, ba thông số {NPR, K,} đủ để mô tả tính cách băngrộng của các kênh pha đinh Rice thực tế Để thích ứng các thông số điều chế dựa trêncác thông số của kênh, cần phải biết biết ảnh hưởng của các thông số kênh nói trên lênhiệu năng kênh

Hình 2.7 minh hoạ dạng tín hiệu OFDM trong miền tần số, khi truyền qua môi trườngkênh pha đing Rice Trên hình vẽ ta thấy tại những điểm trũng của đáp ứng kênh thì biênđộ phổ tần số của tín hiệu sẽ bị giảm nhanh chóng, và tại những điểm lồi của đáp ứngkênh thì biên độ phổ của tín hiệu bị kéo lên theo đường đáp ứng kênh Tại những điểmtrũng hay lồi của đáp ứng kênh đều gây thu sai tín hiệu sau bộ quyết định tại phía thu.Mục đích của đồ án là tìm giải pháp đối phó những vị trí mà đáp ứng kênh bị thănggiáng bằng cách sử dụng các bộ cân bằng, dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang vàđiều chế M-QAM thích ứng (AQAM) trong miền tần số và thời gian được đồ án đề cậptrong chương 5.

Hình 2.8 và hình 2.9 cho thấy các thuộc tính kênh trong miền tần số phụ thuộc vào trảitrễ (RDS) và thừa số K dựa trên các kết quả mô phỏng Cả hai mô hình miền tần số vàmiền thời gian đều được mô phỏng Trên hình 2.8, ta giả thiết rằng K bằng 0dB còn trênhình 2.9 ta giả thiết rằng RDS bằng 42,1ns.

Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 256, [plot_ofdm_spectrum.m]

Hình 2.8 cho thấy rằng trải trễ cao dẫn đến thay đổi biên độ hàm truyền đạt kênh trongmiền tần số nhanh hơn Điều này cho thấy rằng cần phải ấn định nhiều sóng mang conhơn cho hệ thống OFDM khi trải phổ lớn hơn Từ hình 2.9 cho thấy, khi thừa số K giảm,biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số bị pha đinh nhanh hơn Khi thừa số Klớn, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số ít bị pha đinh hơn nhiều Nói mộtcách khác khi thừa số K lớn, cho phép ấn định băng thông sóng mang nhỏ ngay cả khitrải trễ lớn Tuy nhiên ta cần biết tại thừa số K nào ảnh hưởng trải trễ đối với thiết kếbăng thông sóng mang con có thể bỏ qua Để xác định điều này ta xét kết quả mô phỏngtrên hình 2.10.

Hình 2.10 Biểu thị hàm truyền đạt biên độ kênh theo tần số đối với RDS bằng 30ns vàthừa số K bằng 0dB, 6dB và 15dB Hình này cho thấy rằng thừa số K nhỏ dẫn đến biênđộ kênh bị pha đinh nhanh hơn trong miền tần số Đối với K=0dB, pha đinh biên độ cóthể lên tới 12 dB tại một tần số nào đó, đối với K=10dB, biên độ pha đinh nhỏ hơn2,2dB trên toàn băng tần và đối với K=15dB, pha đinh chỉ giới hạn ở 1dB trên toàn băngtần Vậy có thể kết luận rằng Khi K lớn hơn 10dB biên độ hàm truyền đạt kênh trongmiền tần số không bị pha đinh nhiều vì thế không cần đặt băng thông sóng mang contheo trải trễ mặc dù biên độ này pha đinh nhanh hơn khi trải trễ lớn.

Hình 2.8 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS a) nhìn từ trên xuống, b) nhìn từ bên.

Hình 2.9 Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số

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

 Trải trễ ảnh hưởng lên tốc độ thay đổi biên trong hàm truyền đạt kênh trong miềntần 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 Kcàng lớn thì thay đổi biên càng nhỏ.

 Khi thừa số K nhỏ hơn 10 dB, để chống pha đinh chọn lọc tần số, cần ấn địnhbăng thông sóng mang con lớn hơn cho OFDM khi trải trễ lớn hơn.

2.10 Kết luận

Chương này đã xét các đặc tính kênh Theo truyền thống, các kênh được phân loại thànhcác kênh pha đinh phạm vi rộng và các kênh pha đinh phạm vi hẹp Pha đinh phạm virộng chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảngcách xa (vài km) Pha đinh phạm vi hẹp biểu thị ảnh hưởng truyền dẫn đa đường Vìvậy, khi xây dựng thuật toán cho điều chế thích ứng, cần xét các đặc tính kênh trong bamiền: không gian, tần số và thời gian như cho ở bảng 2.2 Đặc tính kênh trong miềnkhông gian liên quan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng và thăng giáng ngẫu nhiênphạm 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 (pha đinh chọn lọc không gian).Việc pha đinh chọn lọc không gian mang tính ngẫu nhiên và khó lập mô hình dẫn đếntình trạng không rõ ràng khi thiết kế hệ thống và khó tăng cường chất lượng hệ thống.Tuy nhiên công nghệ truyền dẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép giảiquyết vấn đề này MIMO có thể chuyển bất lợi của truyền sóng đa đường thành có lợi.

Hình 2.10 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau

Bảng 2.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gianMiền không gianMiền tần sốMiền thời gianThông số d;

Thăng giáng ngẫu nhiênBD;

Nhược điểm Chọn lọc không gian Chọn lọc tần số Chọn lọc thời gian

Giải pháp MIMO OFDM Thích ứng

Mục đích Lợi dụng đa đường Pha đinh phẳng

(T) Pha đinh chậm(BS>>BD)

Chú thích d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output;BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét chotrường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; : trải trễtrung bình quân phương; TC: thời gian nhất quán của kênh; BS: độrộng băng tín hiệu phát

Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng nhất quán (xembảng 2.2) Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhất quán và trải trễ trung bìnhquân phương Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS và BTS Cácthông số này có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) trongmiền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian nhất quán của của kênh.Trải trễxẩy ra do trễ đa đường Độ rông băng nhất quán của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trungbình quân phương Vì thế trải trễ trung bình quân phương có thể dẫn đến pha đinh chọnlọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số OFDM đưa ra giải pháp cho pha đinhchọn lọc tần số vì nó có thể chuyển pha đinh chọn lọc tần số vào pha đinh phẳng bằngcách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trung bình quân phương (xem chương 3).Ngoài ra thích ứng đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc thời gian trong miền thờigian, vì nó hầu như luôn luôn làm cho độ rộng băng tín hiệu phát lớn hơn nhiều so vớitrải Doppler bằng cách thay đổi các thông số của hệ thống truyền dẫn theo các thông sốkếnh (xem chương 5).

Nguyên lý hoạt động của OFDM

3.1 Mở đầu

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán củakênh truyền dẫn vô tuyến gây ra Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thôngcần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này Theođó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảmảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinhphẳng Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trongmiền tần số Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang condẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu Sốsóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệulớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độrộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh.

Theo đó chương này trước hết, đồ án trình bầy nguyên lý hoạt động của một hệ thốngđiều chế OFDM Sau đó xét các thông số hiệu năng của nó Cuối cùng xét ảnh hưởngcủa các thông số kênh truyền sóng lên dung lượng cũng như chất lượng truyền dẫn củahệ thống OFDM.

3.2 Tính trực giao

 Ý tưởng

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trêncùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việc xếp chồng lấn các băng tần contrên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến ta không những đạt được hiệu quả sử dụngphổ tần được cấp phát cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh,nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗihiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể So với hệ thống ghép kênh phân chia theotần số FDM truyền thống, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng các băngcon không những không được phép chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tầnbảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu)

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khiđược tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (ICI) và thời gian(ISI) Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giaocủa các sóng mang con Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của cácsóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phíathu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tínhiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI.

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

 Định nghĩa

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là Đểđảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả mãn điều kiệnsau

(3.1)Trong đó:

Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình 3.1 Trong đó,(3.1.1a), (3.1.2a), (3.1.3a) và (3.1.4a) thể hiện các sóng mang con riêng lẻ, với tần sốtương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz Pha ban đầu của toàn bộ các sóng mang con này là 0.(3.1.5a) và (3.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trong miềnthời gian và miền tần số

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường minhở hình 3.2 Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứngtần số dạng sinc (sin(x)/x) Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậmkhi biên độ của tần số cách xa trung tâm Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗisóng mang con tương ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác Hình 3.2cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổtần 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 đườngmàu đen đậm trên hình 3.3.

Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số, [sim_ofdm_time_domain.m]

Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM, [sim_ofdm_mc.m]

3.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM3.3.1 Mô tả toán học tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:(3.3)

Trong đó sk(t-kT) là tín hiệu OFDM phát phức băng gốc thứ k được xác định như sau:(3.4)

Trong đó:

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDMTG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trìnhTwin 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 FFTk là chỉ số về ký hiệu được truyền

i là chỉ số về sóng mang con, i{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, …., -N/2}

xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu,rỗng) được điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k.

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

Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con, [sim_ofdm_mc.m]

trong đó các hệ số Fourier phức thể hiện các vectơ của chùm tín hiệu phức còn nf0 thểhiện các sóng mang con i/TFFT Trong hệ thống số, dạng sóng này có thể được tạo ra bằngbiến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Chùm số liệu xi,k là đầu vào IFFT và ký hiệuOFDM miền thời gian là đầu ra

Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế vô tuyến được xác định như sau:

(3.7)trong đó sRF,k(t-kT) là tín hiệu OFDM vô tuyến thứ k được biểu diễn như sau:

Trong đó fc là tần số sóng mang RF.

3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 3.4 trình bầy sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM điển hình Theo đó, dưới đâytrình bày vắn tắt chức năng các khối.

Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con Các sóng

mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc Sau đó sửdụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mangdữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourierngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu của nó Tín hiệu OFDM trong miền thời gian đượctrộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến

Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó trước hết, trộn hạ tần

tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích tín hiệu vàomiền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con đượcgiải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu.