K (1.15)
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự) E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Si(t) =
J Ycos[(2.i-1).—]cos(2/zfct)-.í^sin[(2i-1)]—.sin(2;zfct) ( 0 < t < T )
0 4 T 4 T < t ; t < 0
(1.16)
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
<Mt) = -i/^sin( 2jrfc.t) 0 < t < T ^2(0 = J^-sin( 2nfc.t) (1.17a) 0 < t < T (1.17b) Khi đó, Si(t) = A (t>VẼ" sín[( 2i - 1) COS[( 2i - i) (1 18)
Vậy, bốn bản tin úng với các vector được xác định như sau:
n. S: = VẼsin[(2i-l)-] 4 VẼcos[(2i-l) n S:, S;- (i = 1,2,3,4) (1.19)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điếm tín hiệu điều chế ỌPSK trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:
Bảng 1.2: Các thông số của điều chế QPSK
Xem bảng ta thấy, mức T thay đổi vào - V Ẽ , còn logic '0' thì biến đổi vào VẼ. Vì cùng một lúc phát đi một Symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
1.6.3. Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đối. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và đế cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thế độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM
Chữ số Mã Gray Chữ số Mã Gray 0 0,0,0,0 8 ĩ ,0,0,0 1 0,0,0,1 9 1,0,0,1 2 0,0,1,0 10 1,0,1,0 3 0,0, u 11 1,0,1,1 4 0,1,0,0 12 1,1,0,0 5 0,1,0,1 13 1,1,0,1 6 0,1,1,0 14 1,1,1,0 7 0,1,1,1 15 1,1,1,1 r»MO0 »1001 ■ »1011 »101ơ #1'00 (M01 (1111 #1110 «0400 ■ 1101 ■ 0111 »0110 «0(00 »1001 «0011 «0010
(điều chế biên độ gốc). Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điếm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế ọ AM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:
Si (t) = cos(2^fct) -
Trong đó, E0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
aị, bị : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc". Có thế phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:Ị—ãị sin(27rfc t) 0 < t < T (1.21)
ÍĨẼn
Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QA M [4]
1.6.4. Mã Gray
Giản đồ ĨQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp tù’ dữ liệu. Mỗi liên hợp tù' dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các diêm cạnh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi Symbol đơn.
Mã Gray có thê được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK,8-PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM...)Bảng 1.3: Bảng Mã Gray
Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mồi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn.
BPSK QPSK 1. 0.6 . >» I « I -0.6 . - 1 . _________________ Re al (b) -1 -0 .5 0 0 .5 1 Re al (c) 32-ỌAM > % 1— co 1 0.6 0 .0 .5 -1 -1 -0 .5 0 0 .6 1 Re a l (e) ■11100 «11101 «11110 »11111 »10110 (10111 »11000(11001 (11010 (1101 »10000 (10001 «10010 (100-11 »10100 »1010 ■01010 »01011 «01100 »01101 »01110 10111 •OOIOO »00101 «00110 (00111 »01000 É0100 »00000 *00001 (00010 »00011 (d) 64-QAM (0 Hình 1.21: Giản đô IQ cho các dạng điêu chê trong OFDM [4]
1.7. Các ưu, nhược điềm của OFDM
Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:
1. 7.1. Ưu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con.
- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phang băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.
- OFDM loại trừ nhiễu Symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi Symbol.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích họp, hệ thống OFDM có thế khôi phục lại được các Symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích úng được sử dụng trong nhũng hệ thống đon sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bố sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang.
- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang, vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.
1.8. Ket luận
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