Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan về OFDM. Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên
CHƯƠNG 2 CÁ c ĐẶc TỈNH CỦA KÊNH TR UYÊN VÔ TUYẾN
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi truờng truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đối. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
2.1. Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thong OFDM
2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu (Âttenuation)
Xe cộ
Hình 2.1: Ánh hưởng của môi trường vô tuyến
2.1.2. Hiệu ứng đa đường
Mức tín hiệu (dB)
Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)
10 99
0 50
-10 5
-20 0.5
-30 0.05
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu
Trong nhà 40ns - 200ns 12m - 60m
Bên ngoài 1ps - 20ps 300m - 6km
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thế bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa,... sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp tín hiệu đa đường có thế xảy ra.
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thế là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là íading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30 (dB) trên một khoảng cách ngắn. Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.
Khoảng cách di chuyển
Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyến (ở tần số 900MHz) Phân bố Rayleigh được sử dụng đế mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
Bảng 2.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh
• Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp úng phố không bằng phang do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thế dẫn đến tín hiệu đa đường của 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 nếu không 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 phố như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phô xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Ket quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thông tin trong các sóng mang bị mất có thế khôi phục bằng cách sử dụng kỹ thuật sửa lồi thuận FEC.
• Trải trễ (Delay Spread)
Trong hệ thống số, trải trễ có thế dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thê gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA
Tín hiệu trực tiếp
r íTín hiệu trễ \
Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng ke. Ánh hưởng thế hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hon khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20|J.S, do đó nhiễu liên kí tự có 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 chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hon sử dụng FDM hay OFDM).
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyến động tuơng đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyến cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyến động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức:
A f « ± f , - (2.1)
c
Trong đó, Af là khoảng thay đối tần số của tần số tín hiệu tại máy thu
Vlà tốc độ thay đối khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát f0 là 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 lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (ví dụ: OFDM, QAM...) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường họp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.
2.1.4. Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu xuyên ô (Inter- Cellular Interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu xuyên kí tự ISI, nhiễu xuyên sóng mang ICI và nhiễu xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả pho của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thế được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phố biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo
biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thế đuợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.1.5. Nhiễu xuyên kỷ tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường. Đe giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được. Đe nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tụ' gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tụ' trước đó và kết quả là có nhiễu ISI. Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, đế giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.
2.1.6. Nhiễu xuyên sóng mang ICI
Trong OFDM, phố của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phố mỗi sóng mang thì phố của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điếm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ĨCI) như ỏ' hình 2.5.
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đôi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết
Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
2.1.7. Tiền tố lặp CP (Cycle Pre/ỉx)
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến 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.
Đe thực hiện kỳ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau. Vậy sau khi chèn thêm khoảng
bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ
Copy -V 0 N-l-v Hình 2.6: Mô tả tiền tố lặp -> Thời gian N-l Ta có: Ts — Tg + Tppx Ký tự’ OFDM lúc này có dạng: fx(n+N) n = -v,-v + ì,... - 1 (2.2) (2.3) Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFTbị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau. Neu 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 rmax nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ đuợc các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ớ đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu
ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điếm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điếm tín hiệu thu được qua đường phản xạ.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.
Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp (Cyclic Postíĩx). Hậu tố cũng tuông tự' như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy ĨFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thế chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông. Neu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tông chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.
2.2. Khoảng hảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thế bị sai do điều kiện của quá 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 độ dài xác định bằng thời gian Symbol có ích để có thế xác định được Symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong nhũng lý do quan trọng nhất đế sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường. Bằng cách
chia luồng dừ 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 giũa trải trễ đa đường với chu kỳ Symbol xuống Ns lần. Đe loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian
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 hon CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường 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 đế giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.
Đe có thế giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuồi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thế 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 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 hon 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
Có thế 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 một số 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 chồ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của Symbol và đặt nó đế đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hon.
2.3. Giới hạn hăng thông của OFDM
Cửa sổ này xác định biên của mồi 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 đối từ Symbol này sang Symbol khác để truyền dữ liệu. Pha tải phụ thì không đôi đối với toàn bộ Symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các Symbol. NhữngỊ Ị---1 - -Ị — Ị ----Ị---\ \ \ )
---f—Ịr 'd~ — "1— ■—■ L-, rm.^T. ,rlTmg-rlr-»r<fTlUni nj| m —— J»" —•'J-"—1—1 Ị----|- Ị___ r~i Ị-- I— 1— ----Ị — ----ỉ 1 --- - I I ị " ! -r>- 60 -40 -?0 0 2 0 40 60
Froquency (Normalisod to Subcarrior Spacings)
Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông [5]
2.3.1. Lọc băng thông