1.4.1. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI và nhiễu giữa các sóng mang ICI
Ở môi trường truyền dẫn đa đường, ký hiệu phát đi mất khoảng thời gian khác nhau để tới máy thu qua các đường truyền khác nhau, kênh sẽ bị phân tán thời gian tức là ký hiệu thu được bị giãn rộng. Điều này làm cho ký hiệu
ISI Cycllc Prefix
ISI Cycllc
Prefix
ISI Cycllc
Prefix Data
Block y[0]...y[N-1]
Data Block y[0]...y[N-1]
Data Block y[0]...y[N-1]
à N
Hình 1.16. Vòng bảo vệ chặn trước trong xử lý số
thu được hiện tại tràn sang ký hiệu thu trước đó và gây ra giao thoa ký hiệu ISI. Trong hệ thống OFDM, ISI thường được hiểu là can nhiễu của một ký hiệu OFDM gây bởi các ký hiệu OFDM trước đó.
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhau nhưng chúng vẫn trực giao, nghĩa là tại giá trị lớn nhất trong phổ mỗi sóng mang thì giá trị phổ của tất cả các thành phần sóng mang con khác bằng không. Máy thu thực hiện lấy mẫu các ký hiệu số liệu trên các sóng mang con phân biệt tại các điểm cực đại và giải điều chế chúng khỏi nhiễu của các sóng mang con khác. Nhiễu gây bởi các ký hiệu số liệu trên các sóng mang con kề nhau thường được gọi là nhiễu giao thoa sóng mang ICI.
Tớnh trực giao của cỏc súng mang con được thấy rừ trong cả miền thời gian và miền tần số, theo quan điểm miền thời gian, mỗi sóng mang con là một đường hình sin với một số nguyên lần chu kỳ trong một khoảng FFT. Còn theo quan điểm tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang con có giá trị cực đại tại tần số trung tâm của nó, và bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang con khác, ngược lại các sóng mang con bị mất trực giao.
ICI xảy ra khi kênh đa đường biến đổi qua thời gian một ký hiệu OFDM gây ra một dịch tần số trên các sóng mang con, làm mất tính trực giao giữa chúng, nó cũng xảy ra khi một ký hiệu OFDM bị ISI. Theo quan điểm miền
Hình 1.17. Phổ tín hiệu OFDM fc+(k-1)f0 fc+kf0 fc+(k+1)f0
f
thời gian, điều kiện một số nguyên lần chu kỳ cho mỗi sóng mang con trong khoảng FFT của ký hiệu hiện tại không được duy trì do có chuyển dịch pha gây bởi ký hiệu trước đó. Bất cứ chuyển dịch nào giữa các tần số sóng mang con của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI cho một ký hiệu OFDM.
1.4.2. Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ Xét hệ thống OFDM 64-sóng mang con sử dụng điều chế 16-QAM với một kênh đa đường 2 tia. Công suất của tia thứ hai nhỏ hơn 6dB so với tia thứ nhất. Nhiễu máy thu được bỏ qua để xem xét ảnh hưởng của ISI và ICI đến hiệu năng hệ thống tương ứng với hai tham số này. Hình 1.18 mô tả lược đồ chùm tín hiệu 16-QAM với trễ truyền nhỏ hơn thời gian bảo vệ và không triển khai bộ cân bằng kênh tại máy thu. Các điểm tín hiệu thu được có phân bố tròn xung quanh các tín hiệu phát. Hiện tượng tự nhiễu làm cho một số điểm tín hiệu vượt qua các biên quyết định, và làm giảm cấp tương đối hiệu năng BER. Do đó các bộ cân bằng kênh một phía phải được triển khai tại đầu ra FFT để sửa méo biên độ và méo pha gây bởi trễ đa đường.
Đối với hệ thống OFDM 64 sóng mang con với bộ cân bằng một hướng tại máy thu, khi thời gian trễ truyền đa đường càng tăng thì nhiễu ISI càng tăng khi trễ lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ, dẫn tới làm tăng BER của hệ thống.
Hình 1.18. Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang con
Ảnh hưởng của ISI có thể giảm được bằng cách tăng thời gian ký hiệu OFDM, để xác định ảnh hưởng ta định nghĩa một số đo:
η = (trễ truyền lan) (thời gian ký
hiệu)
Với độ rộng băng tín hiệu OFDM cho trước, thời gian ký hiệu tỉ lệ với số lượng sóng mang con, nếu η lớn, một lượng lớn các mẫu ký hiệu OFDM khác nhau bị ảnh hưởng bởi ISI và do đó hệ thống có BER cao và ngược lại. Ta thấy rằng ISI càng giảm hơn khi hệ thống OFDM có số lượng sóng mang con càng tăng. Tuy nhiên, khi số lượng sóng mang con tăng nhiều làm thu hẹp khoảng cách tần số giữa chúng khiến chúng dễ bị hiệu ứng dịch tần Doppler.
Các ký hiệu OFDM thời gian dài mềm dẻo hơn với fading lựa chọn tần số nhưng nhạy cảm hơn với fading lựa chọn thời gian. Fading lựa chọn thời gian làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con. Hình 1.19, mô tả lược đồ mã hoá cho 3 hệ thống OFDM có 256, 512 và 1024 sóng mang con tương ứng. Với một độ rộng băng cho trước, khoảng cách tần số giữa các sóng mang con giảm khi số sóng mang con tăng. Khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang con nhỏ làm chúng dễ bị ICI do dịch tần gây bởi hiệu ứng Doppler của kênh.
Ảnh hưởng của số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ đến hiệu năng hệ thống được tổng kết như sau:
(a) (b) (c)
Hình 1.19. Lược đồ mã hoá tín hiệu
• Với số lượng sóng mang con cho trước, tăng khoảng bảo vệ sẽ làm giảm ISI do giảm tỉ lệ trễ trên thời gian ký hiệu, nhưng đồng thời cũng làm giảm hiệu quả công suất và hiệu quả băng tần.
• Với độ rộng băng tần tín hiệu cho trước, tăng số lượng sóng mang con tăng hiệu quả công suất nhưng cũng tăng thời gian ký hiệu làm cho hệ thống nhạy cảm hơn với trải phổ Doppler.
1.4.3. Cửa sổ công suất
Chuyển dịch pha sóng mang con xảy ra tại biên ký hiệu OFDM nếu 2 bit điều chế cùng sóng mang con có giá trị khác nhau. Các chuyển dịch pha đột ngột gây sườn xuống chậm của phổ ngoài băng cho nên cần thực hiện định cửa sổ ký hiệu OFDM làm cho phổ ngoài băng đi xuống nhanh hơn. Một cửa sổ cosin tăng được áp dụng vào các ký hiệu OFDM và xác định như sau:
w(t) =
( ) ( )
+
≤
≤
+ −
≤
≤
≤
≤
+
s s
s s s s
s s
T t
T T T t T t T
T t T t
β β π β
β β π π
1 ,
cos 5 . 0 5 . 0
, 0 . 1
0 , cos
5 . 0 5 . 0
(1.41)
Ts là thời gian ký hiệu OFDM bao gồm cả thời gian bảo vệ, β là nhân tử sườn xuống, βTs là vùng chồng lấn của 2 ký hiệu OFDM liền nhau.
1.4.4. Công suất đỉnh
Một trong các nhược điểm chính của hệ thống OFDM là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn và do đường bao tín hiệu thay đổi theo tin tức, bộ khuếch đại cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là rất cần thiết. Các phương pháp giảm PAPR có thể xếp thành hai nhóm: Nhóm gây méo tín hiệu và nhóm không gây méo tín hiệu. Nhóm 1, tiêu biểu là xén đỉnh, gây bức xạ ngoài băng và méo trong băng làm suy giảm chất lượng hệ thống. Nhóm 2, có điểm chung là biến tín hiệu ban đầu thành tín hiệu mang thông tin tương đương nhưng có PAPR thấp. Các phương pháp nhóm 2 như: mã hoá làm tăng độ dư thừa, xử lý không gian tín hiệu làm tăng độ phức tạp máy phát.
1.4.4.1 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM được tính như sau [1]:
[ ] [ ]
2 ,
0
2 , 0
) (
) ( max
t s mean
t s PAPR
T t
T t
∈
= ∈ (1.42)
Ở đây: s(t) - Tín hiệu đa sóng mang T -là chu kỳ ký hiệu.
Hình 1.20. Phổ công suất của tín hiệu OFDM
PAPR là thông số xét tại phía phát và thường được đánh giá thông qua hàm phân bố tích lũy bù CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) của nó, tức là xác suất PAPR lớn hơn một giá trị PAPR0:
Pr(PAPR>PAPR0). Xét bộ khuếch đại có thực hiện tuyến tính hóa, và gọi ηmax là hiệu suất cực đại của bộ khuếch đại, quan hệ giữa hiệu suất bộ khuếch đại η, ηmax và PAPR được mô tả như sau:
η=ηmax/PAPR (1.43)
Khi PAPR=1 (PAPR tính theo dB thì bằng 0), hiệu suất bộ khuếch đại đạt cực đại. HHiệu suất giảm một nửa mỗi khi PAPR tăng 3 dB.
1.4.4.2 Phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Phương pháp thứ nhất: Mã hoá, loại trừ các ký hiệu OFDM có PAPR cao và khôi phục từ FEC của tập mã.
Phương pháp thứ hai: Phương pháp Clipping, giảm đỉnh, giảm biên độ đỉnh tín hiệu, xác lập các biên độ đỉnh vượt qua một giá trị ngưỡng đến một mức cao nhất. Phương pháp này đơn giản nhưng lại gây méo trong băng và rò rỉ phổ ngoài băng.
Phương pháp thứ ba: Bằng cách nhân mỗi ký hiệu OFDM với mã ngẫu nhiên khác nhau và chọn PAPR nhỏ nhất. Tức là: Chia các chuỗi dữ liệu phát thành các khối con và thực hiện IFFT N - điểm trên mỗi khối con, sau đó nhân mỗi khối con với mã ngẫu nhiên khác nhau và kết hợp tất cả các khối con để tối thiểu hoá PAPR; Nhân các chuỗi dữ liệu trên tất cả các sóng mang con với chuỗi ngẫu nhiên khác nhau, sau đó thực hiện IFFT trên các chuỗi này và chọn chuỗi có PARP nhỏ nhất để truyền dẫn.