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
Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ (aliasing). Trong
11 taps
OFDM, lọc băng thông đế 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 lớn hơn nhiều lọc tương tự, do đó chúng hữu ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM.
Đáp ứng tần số OFDM không lọc, tín hiệu OFDM được lọc băng thông. Các tín hiệu này được lọc bằng đáp ứng xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùng phương pháp cửa sổ (Windowing). Do số tải phụ được dùng trong các hình là nhỏ có thế thấy roll off của bộ lọc FIR. Trong thực tế, loại bỏ tất cả các búp sóng bên, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và giá thành cao và nó làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR của kênh OFDM. Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu, và gây can nhiễu giữa các sóng mang TCT. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phố, tuy nhiên nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng.
2.3.2. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR
Việc dùng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả đế loại bỏ các búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra. Đe thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap cần
N - ceil ( W.IFFT (2.4)
Trong đó,
Ntaps : Số tap trong bộ lọc FIR
wt: Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được dùng để tạo bộ lọc FIR.
IFFT: là kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệu.
Ft: Độ rộng quá độ của bộ lọc chuân hóa cho khoảng cách tải phụ.
chặn (stop band) là 89 dB. Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không đuợc lọc là - 20 dBc và sau khi lọc là -109 dBc. Độ rộng quá độ của hàm cửa sô được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là:
IV = ceil.3.0x64'Ị
V 8 , = 24 (2.5)
Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích lũy MAC (Multiply And Accumulate) như các kết quả mẫu phức. Và như vậy đối với tần số lấy mẫu 20 MHz số phép tính sẽ là 20 X 1 o6 X 24 X 2 = 960 triệu MAC.
Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thế hiệu quả hơn.
2.3.3. Anh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM
Trong thời gian Symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sine trong miền tần số. Neu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng trong miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các Symbol. Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật. Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài. Bằng việc chọn offset thời gian đế đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng TSI bị loại bỏ.
2.4. Ket luận chương
CHƯƠNG 3 VÂN ĐẼ ĐỒNG BỘ TR ONG HỆ THÔNG OFDM
Ớ trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM. Cụ thể là tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ, vấn đề nhận biết khung, ước lượng và sửa chữa khoảng dịch tần số, điều chỉnh sai số lấy mẫu. Ớ đây sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: đồng bộ Symbol, đồng bộ tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và xét sự ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất hệ thống.
3.1. Sự đồng bộ trong hệ thông OFDM.
Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu ISI. Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số. Các hệ thống sử dụng OFDM dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ. Đế giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác yêu cầu các sóng mang phụ phải có tính trực giao.
Khi các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu chính xác thì hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng thời gian Symbol. Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch
Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền thời gian. Đe ước lượng khoảng dịch tần số, cần sử dụng mối tương quan trong miền thời gian của các Symbol pilot kề nhau ước lượng phần thực của khoảng tần số offset, còn phần ảo được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền tần số. Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL).
Trong quá trình điều chế và truyền tín hiệu trên các kênh thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Do quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và khoảng thời gian Symbol không còn chính xác. Do đó, cần phải ước lượng và đồng bộ chúng. Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu (ở bên ngoài) còn phải giải quyết vấn đề đồng bộ hóa (ở bên trong).
3.1.1. Nhận biết khung
Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các Symbol OFDM. Đa số các sơ đồ định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM được lặp lại đê tạo ra một sự định thời ôn định. Những sơ đô đó không thê cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp.
Đe nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuồi PN miền thời gian được mã hóa vi phân. Nhờ đặc diêm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM. Tại phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuồi đã biết. Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thế suy ra ranh giới giữa các Symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan.
Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc vào trễ đa đường (được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu). Đỉnh tương quan lớn nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường. Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này dùng đe định vị ranh giới Symbol OFDM. Do nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ đỉnh tương quan của chuỗi PN. Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng hình sine. Khi không
Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định đế lưu kết quả tính toán tạm thời là các giá trị metric định thời kết quả |M(g)|. Sự nhận biết khung thành công khi phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và tỉ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưởng nhất định. Đe xác định mức ngưỡng này, sự mô phỏng được thực hiện qua kênh AWGN, đối với chuỗi có chiều dài là 63, bộ đệm metric cũng chọn theo kích thước là 63. Hình 3.2 cho thấy xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai lệch tại các mức ngưỡng khác nhau.
Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau
Đường cong nhận biết sai tạo ra tù’ sự tích lũy nhiễu trong module nhận biết khung và sau đó đo đỉnh tương quan (PAPR) của bộ metric định thời. Các đường