Hệ thống OFDM và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB 2.doc

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông Hệ thống OFDM và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB

CHƯƠNG 2

CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát vàmáy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu đượctruyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyếnbị thay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chấtlượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.

2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trìnhtruyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do cáctòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làmsuy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suygiảm tín hiệu.

Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến

2.2.2 Hiệu ứng đa đường

 Rayleigh fading

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từcác vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệuứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tínhiệu thu bị suy giảm Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thểxảy ra.

Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ranhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc Điều này được tính trên các khoảng cáchrất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi làfading nhanh Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dBtrên một khoảng cách ngắn Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảyra do fading.

Đường phản xạ

Đường đi thẳng

Hình 2.2 Tín hiệu đa đường

Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tínhiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading Bảng 2.1 chỉ raxác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.

 Fading lựa chọn tần số

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng docó sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đườngcủa công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín

hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếukhông có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :

- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ nhưCDMA nhằm giảm bớt suy hao.

- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có mộtsóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tínhiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không cóphổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần sốsóng mang bị mất Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôiphục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC

 Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệuphản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thuchậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời giantrễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.

Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này dotín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗinghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phânchia theo thời gian TDMA

Tín hiệu trực tiếp

Tín hiệu trễ

Tín hiệu thu được

Hình 2.4: Trải trể đa đường

Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự Khi tốc độbit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể Ảnhhưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time)

Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khácnhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tựs, do đó nhiễu liên kí tựcó thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.

Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:

 Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chiabăng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).

 Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.

2.2.3 Dịch Doppler

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tínhiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng vềnhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng dichuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứngDoppler.

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệchuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịchDoppler có thể được tính theo công thức:

cff  o

 (2.1)

Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng

Môi trườngTrải trễChênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệuTrong nhà40ns – 200ns12m – 60mBên ngoài1μs, do đó nhiễu liên kí tựs – 20μs, do đó nhiễu liên kí tựs300m – 6km

Trong đó f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu  là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát folà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.

Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lạinhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đốigiữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.

2.2.4 Nhiễu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếulà nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễuliên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệthống phải được lựa chọn.

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cáchchính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loạinhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ côngsuất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theophương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổbiến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

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

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênhtruyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trảitrễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầuhiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thểthực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế làchèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác độngkhông nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quantrọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảngthời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ kýtự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễuliên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDMvới ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương phápđơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao vớisóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thìphổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trêncác sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóngmang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễuxuyên kênh (ICI) như ở hình 2.5.

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM DịchDoppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kếtquả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễuISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI tronghệ thống OFDM.

2.2.7 Tiền tố lặp CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chếđến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI)đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Đểthực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳvà phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thờigian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thờigian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thờigian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phátđi một ký tự).

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDMf

fn-1 fn fn+1

A(f)

Δff

δf=0f=0

f A(f)

fn-1+ δf=0f fn+ δf=0f

+ fn+1+ δf=0f

Δff

δf=0f ≠ 0

Ta có: Ts = Tg + TFFT (2.2)Ký tự OFDM lúc này có dạng:

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chếnhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứngdụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy

nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delayspread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các

Tín hiệu trễ

Tín hiệu trễ cuối cùngKý tự OFDM hữu íchKý tự OFDM khi mở rộng vòng

Tín hiệu trực tiếp

Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp

xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tínhiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipatheffect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà cònđến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thờiđiểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênhlệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệuthu được qua đường phản xạ.

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăngkhả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thốngOFDM.

Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix.Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT đượcsao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống đượcnhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệusuất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trảitrễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúngphải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.

2.3 Khoảng bảo vệ

Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện củaquá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độdài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM

Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.

Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread) Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần Để loại bỏ ISI một

cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận Khoảng thời gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trựcgiao nữa.

Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó

Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sửdụng khoảng bảo vệ (GI) Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền lan nhiều đường.

Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ.

Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Symbol của OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có mộtsố nguyên lần các chu kỳ Việc đưa vào các bản sao của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chépđầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn.

2.4 Giới hạn băng thông của OFDM

Trong miền thời gian, OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sine điều chế Mỗi symbol nằm trong thời gian xác định với hàm cửa sổ hình chữ nhật Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác định đáp tuyến được

tạo ra Thời gian truyền OFDM khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ là cố định và pha thay đổi từ symbol này sang symbol khác để truyền dữ liệu Pha tải phụthì không đổi đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol Những thay đổi đột biến giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tần số.

Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông

2.4.1 Lọc băng thông

Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thànhdạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ (aliasing) Trong OFDM, lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng Nhìn chung bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỉ lệ cắt (cut of rate) lớn hơn nhiều lọc tương tự, do đó chúng hữu ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM.

Đáp tuyến tần số OFDM không lọc Tín hiệu OFDM được lọc băng thông Các tín hiệu này được lọc bằng đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùng phương pháp cửa sổ (Windowing) Do số tải phụ được dùng trong các hình là