3.3. Các vấn đề liên quan đến OFDM
3.3.3. Sự phân chia giải băng
Tín hiệu truyền thơng khơng dây được quy định bởi mặt nạ phổ, trong đó định nghĩa phổ cơng suất tín hiệu tối đa trong dải và ngồi dải, hình 3.4 thể hiện
34
Hình 3.4. Mặt nạ phổ cho tín hiệu LAN trong băng tần U-NII
mặt nạ phổ tín hiệu cho hệ thống mạng LAN không dây theo chuẩn IEEE 802.11a, với mỗi một kênh, được phân bố 20MHz băng thông, thời gian cửa sổ hình chữ nhật của DFT hoạt động và dạng sóng gián đoạn tại ranh giới của ký hiệu OFDM liền kề làm cho phổ của các tín hiệu búp sóng phụ rơi ra chậm hơn so với quy định của mặt nạ phổ, như vậy, cửa sổ dạng sóng mang OFDM ở miền thời gian thường được áp dụng để đạt được một phổ tín hiệu phù hợp với mặt nạ, trong tất cả các cửa sổ phổ biến, cửa sổ raised-cosine là thường được sử dụng, và nó có dạng ( ) = 0.5 + 0.5cos ( + ( + )/( )) − ≤ ≤ (− + ) 1 (− + ) ≤ ≤ 0.5 + 0.5cos (( − ) /( )) ≤ ≤ ( + ) (3.4)
Trong đó là độ dài của vùng phổ dốc (roll-off), N và Ng lần lượt là số của mẫu ký hiệu OFDM và số của mẫu khoảng bảo vệ tương ứng, ký hiệu OFDM là chu kỳ mở rộng tại điểm cuối bởi mẫu , và sau đó mở rộng (N+Ng + ) dạng sóng ký hiệu mẫu nhân bởi các cửa sổ, biểu tượng tiếp theo trùng lặp với một ký hiệu hiện tại bởi mẫu , như được chỉ ra trong hình 3.5. Chú ý rằng, hiệu quả khoảng bảo vệ được rút ngắn bởi mẫu , nhưng các dạng sóng [(- Ng+ ) , ] vẫn không thay đổi qua các hoạt động của cửa sổ.
T
35
Hình 3.5 Cửa sổ miền thơi gian của tín hiệu OFDM
Hơn nữa trong cửa sổ miền thời gian, bộ lọc thơng thấp của tín hiệu băng thơng OFDM giúp ngăn chặn q trình chuyển đổi băng tần và phát thải ngoài dải. Khi đáp ứng xung của bộ lọc này được xoắn lại với tín hiệu OFDM, đáp ứng xung kênh tương đương nhìn thấy bởi người nhận được mở rộng.
3.3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
Tỷ số giữa cơng suất đỉnh và cơng suất trung bình (PAPR) được định nghĩa như là tỷ số của công suất đỉnh trên cơng suất trung bình, nó là một hạn chế cho các hệ thống thông tin liên lạc sử dụng phương pháp điều chế OFDM, cơng thức PAPR được tính như sau:
= max | ( )|
{| ( )| } (3.5)
Trong đó | ( )| là cơng suất đường bao tức thời và {| ( )| } là cơng
suất đường bao trung bình.
Trong trường hợp đặc biệt, khi tất cả các sóng mang con được cộng cùng pha, tín hiệu OFDM trong miền thời gian có thể có tỷ số PAPR bằng N. Ví dụ, PAPR của hệ thống OFDM 256 sóng mang con có thể cao bằng 256, hoặc tương ứng với 24dB.
Với tỷ số PAPR cao thì địi hỏi một rung động cao trong bộ khuếch đại kế tiếp, đặc biệt là các bộ khuếch đại công suất trong thiết bị phát, nếu bị chệch khơng chính xác, PA sẽ dễ dàng đi vào bảo hồ, gây ra sự khuếch đại các tín
36
Hình 3.6 Điểm đầu ra chờ truyền của bộ khuếch đại công suất
hiệu phi tuyến của tín hiệu giá trị lớn, để thích nghi như là tín hiệu tuyến tính vùng động lớn, PA phải làm việc tại một điểm hoạt động, đó là một hiệu quả tốt về điện năng tiêu thụ. Cụ thể, một đầu ra chờ truyền lớn (OBO), hiển thị trong hình 3.6 phải được thực hiện. Đầu ra chờ truyền được định nghĩa như là đầu ra bảo hồ trên cơng suất đầu ra trung bình của mơt PA
= 10 ,
,
( )
(3.6)
Để giảm PAPR, nhiều phương pháp đã được đề xuất, Sự cắt xén và sự phân chia cửa sổ đỉnh tín hiệu cao vượt quá một số ngưỡng là một trong những giải pháp khả thi. Tuy nhiên họ có thể giới thiệu biến dạng bức xạ trong dải và ngoài dải, một số đề nghị sử dụng kỹ thuật mã hoá, tuỳ thuộc vào các dữ liệu đầu vào, các tín hiệu điều chế trên tất cả các sóng mang con được lựa chọn từ một tập hợp của từ mã tương ứng với dạng sóng với một PAPR thấp, hạn chế của các kỹ thuật mã hoá là chi phí trong hiệu quả truyền tải. Sự sáo trộn mã cũng có thể được áp dụng để phá huỷ tín hiệu đều đặn, những tín hiệu có thể phải chịu một PAPR cao. Trong một số phương pháp khác, các tín hiệu truyền được điều chỉnh một cách cẩn thận bằng cách tối ưu hoá lồi để giảm thiểu PAPR dưới sự ràng buộc của lỗi chòm sao cho phép và năng lượng ngoài băng tần.
37
3.4. Kiến trúc máy thu phát OFDM
Một máy phát OFDM nói chung tích hợp nhiều chức năng, bao gồm cả bộ xử lý biến đổi ngược DFT, chèn khoảng bảo vệ và sự phân chia dải băng (spectrum shaping). Trong máy thu, bên cạnh việc xứ lý DF và loại bỏ khoảng bảo vệ, phải nỗ lực để yêu cầu xử lý kênh fading và đồng bộ các lối ra giữa bên truyền và bên thu.
Khơng làm mất tính tổng qt, chỉ xem xét một biểu tượng truyền, N+Ng mẫu truyền được viết dưới dạng sau:
= − … … , (3.7)
Trong đó Ng là số lượng của mẫu khoảng bảo vệ, cũng giả định rằng kênh có đáp ứng xung kênh bất biến theo thời gian với R vòi được cho bởi:
ℎ = [ℎ ℎ … . ℎ ] (3.8)
và R≤Ng. Sau đó, tín hiệu nhận = [ … ] sau khi loại bỏ tiền tố lặp có thể thể hiện như sau:
Trong đó v là nhiễu Gaussian và ma trận kênh có kích thước là × + . Trái ngược với tích chập tuyến tính của các tín hiệu truyền với đáp ứng xung kênh truyền trong hệ thống đơn sóng mang, trong hệ thống OFDM, đáp ứng xung kênh là xoắn trịn với các tín hiệu truyền do tiền tố lặp trong tín hiệu OFDM, các tín hiệu nhận có thể được biểu diễn:
38
Hình 3.7. Đáp ứng tần số kênh và hiệu ứng kênh fading trên sóng mang con OFDM
Trong đó bao gồm các phần tử cuối N trong x, lưu ý rằng ma trận có thể được chéo hố bởi ma trận DFT và IDFT,
= (3.11)
Trong đó F và F-1 tương ứng là ma trận DFT và IDFT. Ma trận H là một ma trận chéo:
Trong đó mỗi phần tử đường chéo tương ứng với đáp ứng kênh truyền miền tần số của sóng mang con tương ứng, thể hiện trong hình 3.7. Do đó, một bộ cân bằng có độ phức tạp thấp với hệ số nghịch đảo của đáp ứng kênh miền tần số sóng mang con mà hiệu quả có thể giảm thiểu các kênh fading. Hình 3.8
Đ
Đáápp ứứnngg ttầầnn ssốố kkêênnhh
(3.12)
39
mô tả kiến trúc của máy phát và thu của một hệ thống truyền thơng OFDM điển hình.
40
Hình 3.8. Kiến trúc máy thu và máy phát của hệ thống OFDM ảnh xạ ảnh xạ
QAM
Chèn các sóng mang con ảo
IDFT (F-1) Chèn khoảng bảo vệ Cửa sổ lọc DAC RF TX Đồng bộ Ước lượng kênh Kênh ảnh xạ QAM FEO (H-1) IDFT (F) Loại bỏ
41
Chương 4. CÁC YẾU TỐ ĐƯỜNG TRUYỀN ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍN HIỆU [3,5,6] ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍN HIỆU [3,5,6] 4.1. Nhiễu trắng
4.1.1. Giới thiệu
Nhiễu luôn luôn hiện diện trong tất cả các kênh truyền thơng tin nó là nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm lớn trong các hệ thống thông tin liên lạc, trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu tác động của nhiễu trên độ tin cậy của các phương pháp điều chế đã được giới thiệu ở các phần trên, đặc biệt, chương này đề cập đến việc thiết kế và thực hiện các đặc điểm của máy thu.
Mơ hình kênh tạp âm Gaussian trắng cộng sinh (additive white gaussian noise - AWGN) là một kênh duy nhất mà hậu quả của nó là cộng một quá trình nhiễu Gaussian trắng vào tín hiệu khi truyền qua môi trường này, kênh này được mơ tả bằng sơ đồ tốn học sau:
( ) = ( ) + ( ) (4.1)
Trong đó ( ) là tín hiệu truyền, n(t) là một dạng sóng mẫu của một
q trình nhiễu Gaussian có giá trị trung bình bằng khơng với phân phối phổ cơng suất của N0/2, và r(t) là tín hiệu nhận, mơ hình của kênh được mơ tả trong hình 4.1
Hình 4.1. Mơ kênh truyền AWGN
4.1.2. Mơ hình tốn học cho mơ phỏng kênh truyền AWGN
Việc xây dựng một mơ hình tốn học cho các tín hiệu ở đầu vào máy thu, kênh được giả định là sự sai lạc tín hiệu bằng cách thêm nhiễu trắng Gaussian, như minh hoạ ở hình 4.1, khi chúng ta định nghĩa các tín hiệu
kênh
+ ( ) =Bên nhận ( ) + ( )
Bên phát tín hiệu
42
truyền, nhiễu trắng Gaussian và tín hiệu nhận như là s(t), n(t) và r(t), thì tín hiệu nhận r(t) được viết dưới dạng tốn học trong 4.1.
Trong đó n(t) là một hàm đơn giản của quá trình AWGN với hàm phân bố sác xuất (pdf) và phân bố phổ công suất như sau:
F ( ) = −1
2 [ / ] (4.2)
Trong đó N0 là hằng số và thường gọi là phân bố công suất nhiễu, để mô phỏng trong ngôn ngữ lập trình Matlab, chúng ta chỉ đơn giản sử dụng
hàm đã được xây dựng là hàm randn, hàm này sẽ tạo ra các số ngẫu nhiên và
ma trận mà các phần tử được phân bố chuẩn với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1, vì vậy nếu chúng ta thêm nhiễu trắng với công suất bằng véctơ dữ liệu có tín hiệu điều chế số với kênh cùng pha (I channel) và kênh cầu phương (Q channel), các giá trị đó là idata và qdata tương ứng, dữ liệu đầu ra của kênh I và kênh Q là iout và qout được cho bởi:
iout(t)=idata+randn(t) qout(t)=qdata+randn(t)
Tuy nhiên, trong mơ phỏng, chúng ta đơi khi tính tốn hiệu suất BER bằng cách thay đổi cơng suất nhiễu, cách mà chúng ta có thể định nghĩa công suất nhiễu như là một biến npow, idata và qdata có đơn vị là vơn, khơng phải cơng suất, vì vậy, chúng ta phải thay đổi các ký hiệu của npow từ công suất sang vôn, chúng ta định nghĩa một biến attn như là gốc của npow như sau:
=1
2 (4.3)
Vì vậy, dữ liệu đầu ra sửa đổi sau khi bị ảnh hưởng bởi nhiễu với một công suất npow trở thành
( ) = ( ) + × ( )
( ) = ( ) + × ( ) (4.4)
Trong đó idata và qdata là hai nhánh tín hiệu của tín hiệu vào, iout và qout là tín hiệu ra sau khi có tác động nhiễu lên tín hiệu vào.
43 4.2. Rayleigh fading
4.2.1. Giới thiệu
Trong việc nghiên cứu các hệ thống truyền thông cổ điển (lý tưởng) nhiễu AWGN với độc lập thống kê Gaussian tác động làm suy giảm tín hiệu, là điểm khởi đầu thông thường cho sự hiểu biết cơ bản các mối quan hệ hiệu suất, các nguồn chính của sự suy thối hiệu suất là do nhiễu tạo ra trong máy thu. Thơng thường, nhiễu bên ngồi bởi các ăng-ten sẽ quan trọng hơn nhiễu gây ra do nhiệt. Nhiễu bên ngồi này đơi khi có thể được mơ tả như một phổ băng thông rộng và được định lượng bằng một tham số gọi là nhiệt độ ăng- ten, nhiễu này thường có mật độ năng lượng quang phổ phẳng trên băng tần tín hiệu và một hàm phân bố sác xuất Gaussian với giá trị trung bình bằng 0, khi mơ hình hố các hệ thống thực tế, bước tiếp theo là đưa vào bộ lọc giới hạn băng tần (bandlimiting), các bộ lọc trong các máy phát thường phục vụ để đáp ứng một số yêu cầu quy định về ngăn chặn phổ, các bộ lọc trong thiết bị nhận thường phục vụ mục đích của một "bộ lọc thích ứng" cổ điển với băng thơng tín hiệu, do giới hạn băng tần (bandlimiting) và biến đổi thuộc tính pha của bộ lọc, các tín hiệu đặc biệt và kỹ thuật cân bằng có thể yêu cầu ISI mà bộ lọc gây ra.
Nếu đặc điểm lan truyền của một kênh vô tuyến được mô phỏng chưa được xác định một cách cụ thể, người ta thường suy luận rằng sự suy thối tín hiệu so với khoảng cách như là truyền lan qua môi trường không gian lý tưởng, mơ hình khơng gian tự do coi như khu vực giữa các ăng-ten truyền và nhận là miễn phí cho tất cả các đối tượng mà nó có thể hấp thụ hoặc phản xạ năng lượng tần số vơ tuyến (RF), nó cũng giả định rằng, trong khu vực này, khơng khí hoạt động như một mơi trường hồn tồn thống nhất và khơng hấp thụ, hơn nữa, trái đất được coi như là độ dài vơ tận từ truyền lan tín hiệu (hoặc tương đương hệ số phản xạ đó là khơng đáng kể), về cơ bản trong mơ hình khơng gian lý tưởng này, sự suy giảm của năng lượng tần số vô tuyến giữa truyền và nhận tuân theo luật bình phương nghịch đảo (inverse-square law),
44
công suất thu được được biểu diễn theo công suất phát bị suy hao bởi một yếu tố Ls(d), trong đó yếu tố này được gọi là suy hao đường truyền hoặc mất mát không gian tự do, khi ăng-ten nhận là đẳng hướng, thì yếu tố này được biểu diễn như sau:
( ) = 4
(4.5)
Trong đó d là khoảng cách giữa bên phát và bên nhận, là bước sóng của tín hiệu truyền lan, đây là trường hợp truyền lý tưởng, cơng suất của tín hiệu nhận có thể dự đốn được.
Đối với các kênh truyền thực tế, nơi truyền lan tín hiệu diễn ra trong bầu khí quyển và gần mặt đất, các mơ hình truyền lan không gian tự do là không đủ để mô tả các kênh và dự đoán hiệu suất hệ thống, trong một hệ thống thông tin di động không dây, một tín hiệu có thể đi từ máy phát đến người nhận qua nhiều con đường phản xạ, hiện tượng này được gọi là đa truyền lan, hiệu quả có thể gây ra biến động trong biên độ, pha và góc của tín hiệu tới, dẫn đến hiện tượng fading đa đường, một tên khác, điều tần ký sinh (scintillation), có nguồn gốc từ thiên văn vơ tuyến (radio astronomy), được sử dụng để mô tả các fading đa đường gây ra bởi những thay đổi vật lý trong môi trường truyền, chẳng hạn như biến đổi trong mật độ của các ion trong các lớp của tầng điện ly phản ánh tín hiệu vơ tuyến tần số cao (hight frequency - HF).
4.2.2. Fading vùng rộng và fading vùng hẹp
Hình 4.2 thể hiện một cách tổng quan của fading trên kênh truyền, nó bắt đầu với hai loại tác động fading đặc trưng cho truyền thơng di động đó là fading vùng rộng (large scale fading) và fading vùng hẹp (small scale fading), fading vùng rộng đặc trưng cho sự suy giảm tín hiệu điện hoặc mất mát đường truyền trung bình do chuyển động trên diện rộng.
45
Hình 4.2. Biểu hiện của kênh Fading [3, tr.91]
Fading vùng rộng thể hiện ở các khối 1,2 và 3 trong hình 4.2, Hiện tượng fading vùng rộng bị ảnh hưởng bởi ranh giới rõ nét về địa hình như đồi núi, rừng, biển quảng cáo, toà nhà lớn giữa bên phát và bên nhận, bên nhận thường biểu diễn như là bóng mờ bởi các vật cản nhô lên như vậy, số liệu thống kê của fading vùng rộng cung cấp một cách tính tốn ước lượng suy hao đường truyền bằng hàm của khoảng cách, điều này được mô tả trong hàm suy hao đường truyền trung bình và một phân phối chuẩn của giá trị trung bình. Fading vùng hẹp đề cập đến những thay đổi đáng kể trong biên độ và pha của tín hiệu có thể được xem như là một sự thay đổi nhỏ khoảng bằng một nữa bước sóng trong sự tách biệt về khơng gian giữa bên truyền và bên nhận, các khối 4,5 và 6 thể hiện fading vùng hẹp ở hai cơ chế đó là thời gian lan truyền của tín hiệu và thời gian biến thể của kênh, trong các ứng dụng vô tuyến di động, kênh là thời gian biến thể bởi vì chuyển động của bên nhận và kết quả là bên nhận làm thay đổi đường lan truyền, tốc độ thay đổi của những điều kiện lan truyền tính đến cho tốc độ fading (tốc dộ thay đổi của suy yếu fading), fading vùng hẹp cịn được gọi là rayleigh fading bởi vì nếu có nhiều
46
đường phản xạ và khơng có thành phần tia truyền thẳng, đường bao của tín hiệu nhận được được mô tả như một phân bố rayleigh, khi có thành phần truyền thẳng thì tín hiệu nhận được được mơ tả như một phân bố Rician, một thiết bị di động chuyển vùng qua một diện tích lớn phải xử lý tín hiệu của cả