Các thông số đặc trưng của hệ thống OFDM

3.1.3.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM

Hình 3.3: Cấu trúc tín hiệu OFDM

Theo hình 3.3, ta thấy được cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian: Tsym = TFFT + TG + Twin

Trong đó:

Tsym là thời gian của toàn bộ ký hiệu

T_FFT là thời gian lấy FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM T_G là thời gian bảo vệ

Twin là thời gian cửa sổ

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại các ranh giới ký hiệu và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổcosin tăng được định nghĩa bởi:

 

sym _{sym sym}

sym t t T T t T t T t T T t T T           _{   }   _        _  _     _{ }   

Trong đó β là hệ số dốc của cosin tăng và khoảng thời gian ký hiệu T_sym, nó ngắn hơn toàn bộ thời gian của một ký hiệu vì ta cho phép các ký hiệu lân cận chồng lấn một phần trong vùng dốc.

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 32

3.1.3.2. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Tiền tố lặp CP là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chếđến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh và nhiễu xuyên ký tự đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tựOFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T_s. Chuỗi bảo vệ là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG được sao chép từ phía sau lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình 3.4. Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự T_s lúc này bao gồm khoảng bảo vệ T_G và thời gian truyền thông có ích. Thời gian của tín hiệu có ích cũng chính là khoảng thời gian bộIFFT/FFT phát đi một ký tự.

Hình 3.4: Nguyên lý chèn CP

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang phụ và loại bỏđược các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá trị trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua được trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu qua đường phản xạ. Vì tín hiệu của chuỗi bảo vệ CP không mang thông tin có ích nên ở phía thu, chuỗi bảo vệ này sẽ bị loại bỏtrước khi được gửi đến bộ giải điều chế OFDM.

Nhược điểm của chèn tiền tố CP là chỉ một phần T_FFT/(T_FFT+T_CP) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải điều chế OFDM sử dụng và điều này có nghĩa là mất một phần công suất khi giải điều chế OFDM. Ngoài việc mất công suất, chèn CP còn gây ra mất băng thông vì tốc độ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không giảm.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III: Kỹ thuật OFDM

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 33

Cần lưu ý rằng CP không thể bao phủ toàn bộ độ dài của tán thời kênh. Vì thế, ta cần có một sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu (do ISI và ICI) mà phần dư tán thời do CP không phủ hết gây ra. Điều này có nghĩa rằng tồn tại một điểm tối ưu cho độ dài CP mà việc tăng nó không ảnh hưởng xấu đến mất công suất dẫn đến giảm kích thước ô và ngược lại việc giảm nó không ảnh hưởng xấu đến hỏng tín hiệu.

Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp Cyclic Postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉa cần sử dụng tiền tố là được vì khi sử dụng thêm hậu tố sẽ làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu 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 thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền.

3.1.3.3. Dung lượng của hệ thống OFDM

Một trong các mục tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lượng. Vì thề, trước hết cần nghiên cứu các thông số nào ảnh hưởng lên dung lượng. Trong phần này đồ án sẽđề cập các thông sốnày và đưa ra công thức đểxác định chúng

Dung lượng kênh theo Shannon

Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và độ rộng băng thông của tín hiệu được xác định bằng cổng sau:

C = Blog₂(1+SNR) [bps] (3.7)

Trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông

Điều chế thích ứng được sử dụng đểthay đổi các thông sốđiều chế thích ứng theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này

Dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM

Thấy rõ, mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng lên dung lượng. Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kỳ nên có nhiều thông số quyết định dung lượng lớn

SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 34

Bắt đầu bằng việc xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cảcác sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:





Nếu gọi R_c là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N_sub là số sóng mang con, T_sym là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, T_FFT là thời gian FFT, khoảng cách giữa các sóng mang con là ∆f=1/T_FFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

Rtb=(Rclog2(M))Nsub/Tsym=(Rclog2(M))(B/∆f)/Tsym

=(R_clog₂(M))B(T_FFT/T_sym)=(R_clog₂(M))B.FSR (3.9)

Từ công thức trên ta có thể rút ra nhận xét rằng tốc độ bit của hệ thống sẽ được quyết định bằng các thông số: tỷ lệ mã, mức điều chế, độ rộng băng, FSR