Khối IQ Mapper

Hình 4. 3 Khối IQ Mapper

Ánh xạ chòm sao là phƣơng pháp chuyển chuỗi dữ liệu có m bit thành một điểm a +jb. Trong đó, số bit m phụ thuộc vào phép ánh xạ. Ở đây sử dụng ánh xạ chòm sao16-QAM nên chuỗi dữ liệu có 4 bit. Trong hệ thống OFDM, ánh xạ chòm sao là việc chuyển chuỗi bit để cho phép truyền nhanh hơn.

Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu 16-QAM:

[0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487 + 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 + 0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i]

Khối điều chế OFDM có các chức năng sau:

 Chèn 28 giá trị zeros ở đầu và 27 giá trị zeros ở cuối để tạo thành khoảng bảo vệ

 Chèn 8 pilots tại các vị trí [41, 66, 91, 116, 142, 167, 192, 217] vào khối dữ liệu.

 Chèn các giá trị DC ở giữa

 Thực hiện phép biến đổi IFFT để tạo tín hiệu OFDM  Thêm Cylic Prefix.

Tín hiệu dải gốc sau khi thực hiện ánh xạ chòm sao 16-QAM thành các symbol dữ liệu ở dạng phức, các symbol dữ liệu này đƣợc sắp xếp thành từng khối và điều biến trên một nhóm 256 sóng mang con rất sát nhau. Phép biến đổi IFFT có ý nghĩa sắp xếp các các symbol dữ liệu lên các sóng mang con này. Việc sử dụng phép IFFT giúp hệ thống luôn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.

Tín hiệu trƣớc khi phát đi sẽ đƣợc thêm đoạn Cyclic Prefix có chiều dài là 1/4 chiều dài dữ liệu. Việc tạo cyclic prefix đƣợc thực hiện bằng cách chép đoạn dữ liệu ở cuối có chiều dài bằng 1/4 chiều dài dữ liệu và đặt lên đầu tạo thành tín hiệu có OFDM 320 giá trị trong miền thời gian.

Tập hợp những sóng mang con này sau khi đã chèn khoảng bảo vệ tạo thành một symbol OFDM gồm 320 sóng mang con. Symbol OFDM sẽ bao gồm dữ liệu, pilot, các giá trị 0 và khoảng bảo vệ. Các pilot dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền bên phía thu.

Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM

Các luồng dữ liệu có thể điều khiển để chiếm một hay nhiều kênh con hoặc toàn bộ OFDM symbol. Tín hiệu OFDM đƣợc truyền đi là đa hợp của các luồng dữ liệu này.

Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation

4.2.4 Kênh truyền AWGN

Sau khi đƣợc thêm Cyclic Prefix dữ liệu sẽ đƣợc truyền đi thông qua kênh truyền. Dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian

Khối kênh truyền có các thông số quan trọng nhƣ:  Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

 Công suất tín hiệu vào

Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền

4.2.5 Khối OFDM Demodulation

Khối giải điều chế OFDM sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ, zeros, pilots đã chèn. Tƣơng tự nhƣ phía phát, bộ FFT ở phía đầu thu có nhiệm vụ chuyển tín hiệu OFDM thành các symbol dữ liệu tƣơng ứng.

4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao)

Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao

Các symbol dữ liệu ở dạng phức sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc thành tín hiệu dãy gốc. Ở đầu thu, các điểm chòm sao ở bộ truyền sẽ bị thay đổi do tác động của kênh truyền. Vì vậy, bộ giải ánh xạ chòm sao phải chọn ngƣỡng để xác định điểm chòm sao ở phía thu. Nguyên tắc của của bộ demapper là so sánh giá trị nhận đƣợc trên đƣờng I và Q với các điểm lân cận trong chòm sao.

Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu :

[0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487 + 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 + 0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i]

4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm với kênh truyền AWGN

Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR

Hình 4.9 đƣa ra mô hình hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR bằng hai khối MU- LAW COMPANDER VÀ MU-LAW EXPANDER, kênh truyền đƣợc sử dụng là AWGN.

Tín hiệu OFDM ở phía phát sẽ đƣợc nén bởi bộ nén MU-LAW COMPANDER để làm giảm PAPR đồng thời cũng làm giảm sự tác động bởi nhiễu. Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén bởi bộ MU-LAW EXPANDER để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

Tín hiệu OFDM sẽ đƣợc tách ra thành 2 thành phần I và Q, 2 thành phần này sẽ đƣợc nén riêng biệt với nhau. Bộ nén µ đƣợc cấu hình với hệ số nén 255.

4.3.2 Khối Mu-law Expander

Tƣơng tự nhƣ khối µ-law compander, tín hiệu cũng đƣợc tách ra thành 2 thành phần I-Q và đƣợc cho qua 2 bộ expander riêng biệt. Khối µ-law expander sẽ phục hồi tín hiệu đã đƣợc nén về tín hiệu ban đầu. Khối expander cũng đƣợc cấu hình với hệ số µ= 255.

Hình 4. 12 Khối Mu-law expander

4.3.3 Khối PAPR Calculator

Khối PAPR Calcutator sẽ tính tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu OFDM. PAPR đƣợc tính theo công thức sau:

PAPR = max{ )

} = max{ { ) ) }} Trong đó :

|x(t)|2 : công suất đƣờng bao tức thời của tín hiệu OFDM E{|x(t)|2} : Công suất trung bình của tín hiệu OFDM

4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading

Về nguyên lý hoạt động các khối trong mô hình tƣơng tự nhƣ trong nhƣ đã trình bày ở trên. Nhƣng đối với kênh truyền Rayleigh Fading, tín hiệu thƣờng bị méo dạng và dịch pha nên ta cần thiết kế thêm bộ ƣớc lƣợng kênh và bộ cân bằng để khắc phục các vấn đề này.

4.4.1 Khối tạo kênh truyền

Hình 4. 15 Kênh truyền Rayleigh Fading

4.4.2 Bộ cân bằng [2]

Bộ cân bằng đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp sử dụng pilot. Bộ cân bằng sẽ khôi phục lại tín hiệu thu giống nhƣ tín hiệu phát thông qua các giá trị quy định từ trƣớc ở phía đầu phát và đầu thu (giá trị của các Pilot). Dựa vào Pilot phía thu và phía phát, ta tính đƣợc tác động của kênh truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol, sau. Sau đó dùng phƣơng pháp nội suy để khôi phục lại tín hiệu.

Phƣơng pháp nội suy đƣợc thực hiện nhƣ sau :

Do trong phạm vi dữ liệu vừa phải ( dữ liệu giữa hai Pilot ) thì giá trị của dữ liệu biến đổi theo dạng đƣờng thẳng nhƣ hình sau:

Trong hình 4.15, giả sử trong hệ trục tọa độ Oxy, tại 2 vị trí 0 và 25 là 2 pilot. Gọi A(0,y1) và B(25,y2) là tọa độ hai điểm cao nhất của tín hiệu pilot sau khi qua kênh truyền. Với y1 và y2 là giá trị dữ liệu của 2 pilot nhận đƣợc sau khi chịu tác động của kênh truyền.

Ta có phƣơng trình đƣờng thẳng qua hai Pilot nhƣ sau: y= y1+

Gọi yi là tín hiệu Pilot tại các điểm tín hiệu thứ i (với i=1,2,3….,24), thay vào phƣơng trình trên ta tính đƣợc yi

yi = y1+

Hệ số ƣớc lƣợng kênh truyền tại các điểm tín hiệu sẽ là

li = Với Pilot là giá trị của Pilot đƣợc qui định trƣớc

(trong luận văn này thì giá trị các Pilot là 1) Các giá trị dữ liệu sau khi đƣợc cân bằn sẽ là:

ki‟= li × ki

Với : ki‟ là dữ liệu sau khi cân bằng

ki là dữ liệu nhận đƣợc khi chƣa cân bằng

Bộ cân bằng sẽ đƣợc đặt ở sau khối FFT biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số nên đây là bộ cân bằng trong miền tần số, và đƣợc đặt trƣớc bộ giải điều chế nhằm tập trung các điểm trên “chòm sao” để giải điều chế đƣợc chính xác cao nhất.

Hình 4. 17 Mô hình bộ cân bằng

4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy trên nền matlab simulink trên nền matlab simulink

Trong phần này sẽ trình bày về cách thiết kế bộ nén và giải nén sử dụng luật µ để làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM. Hệ thống OFDM thử nghiệm gồm có:

4.5.1 Khối nén µ-255

Biểu thức của luật nén µ đƣợc biễu diễn nhƣ sau: )

) ), với -1 ≤ x ≤ 1.

Trong đó µ là hệ số nén, x là số nguyên đƣợc nén.

biệt của mã nén đƣợc gọi là dây cung. Mỗi dây cung của đƣờng tuyến tính sẽ đƣợc chia vào những khoảng lƣợng tử bằng nhau đƣợc gọi là bƣớc (step). Độ dài bƣớc nhảy giữa hai codeword liền kề nhau sẽ bằng hai lần mỗi dây cung kế tiếp.

Dấu của codeword cũng là dấu của dữ liệu vào ban đầu. Bits dấu sẽ là 0 đối với số dƣơng và là 1 đối với số âm. Trong luận văn này, khối nén µ-255 sẽ nén dữ liệu vào 14 bits thành codeword ra 8 bits. Do đó codeword 8 bits của luật nén µ-255 gồm: 1 bits dấu, 3 bits dây cung hay còn gọi là 3 bits đoạn, 4 bits step hay còn gọi là 4 bits lƣợng tử.

Hình 4. 20 Cấu trúc codeword luật µ-255  Codeword đối với dữ liệu dƣơng (bit dấu bằng 0)

MÃ ĐOẠN 000 001 010 011 100 101 110 111 MÃ LƢỢNG TỬ 0 31 95 223 479 991 2015 4063 0000 1 35 103 239 511 1055 2143 4575 0001 3 39 111 255 543 1119 2271 4831 0010 5 43 119 271 575 1183 2399 5087 0011 7 47 127 287 607 1247 2527 5343 0100 9 51 135 303 639 1311 2655 5599 0101 11 55 143 319 671 1375 2783 5855 0110 13 59 151 335 703 1439 2911 6111 0111 15 63 159 351 735 1503 3039 6367 1000 17 67 167 367 767 1567 3167 6623 1001 16 71 175 383 799 1631 3295 6879 1010 21 75 183 399 831 1695 3423 7135 1011 23 79 191 415 863 1759 3551 7391 1100 25 83 199 431 895 1823 3679 7647 1101 27 87 207 447 927 1887 3807 7903 1110 29 91 215 463 959 1951 3935 8159 1111

 Codeword đối với dữ liệu âm (bit dấu bằng 1)

Do codeword của luật µ có cùng dấu với dữ liệu vào nên các codeword đối với phần dữ liệu âm sẽ là bù hai của các codeword đối với phần dữ liệu dƣơng.

MÃ ĐOẠN

111 110 101 100 011 010 001 000 MÃ

LƢỢNG TỬ

16383 16349 16281 16145 15873 15329 14241 12065 1111 16381 16345 16273 16129 15841 15265 14113 11809 1110 16379 16341 16265 16113 15809 15201 13985 11553 1101 16377 16337 16257 16097 15777 15137 13857 11297 1100 16375 16333 16249 16081 15745 15073 13729 11041 1011 16373 16329 16241 16065 15713 15009 13601 10785 1010 16371 16325 16233 16049 15681 14945 13473 10529 1001 16369 16321 16225 16033 15649 14881 13345 10273 1000 16367 16317 16217 16017 15617 14817 13217 10017 0111 16365 16313 16209 16001 15585 14753 13089 9761 0110 16363 16309 16201 15985 15553 14689 12961 9505 0101 16361 16305 16193 15969 15521 14625 12883 9249 0100 16359 16301 16185 15953 15489 14561 12705 8993 0011 16357 16297 16177 15937 15457 14497 12577 8737 0010 16355 16293 16169 15921 15425 14433 12449 8481 0001 16353 16289 16161 15905 15393 14369 12321 8225 0000 4.5.2 Khối giải nén µ-255

Biểu thức giải nén đƣợc định nghĩa bởi phƣơng trình sau: F-1(y) = [ ) ] ), với -1 ≤ y ≤ 1

Ngƣợc lại với phía phát, khối Mu-law expander sẽ khôi phục lại tín hiệu nhƣ ban đầu trƣớc khi nén. Trong quá trình giải nén, các bits ít ý nghĩa bị loại bỏ trong quá trình nén sẽ đƣợc khôi phục bằng cách lấy giá trị trung bình các khoảng của dữ liệu vào ban đầu. Nếu 6 bits có ý nghĩa nhỏ nhất của dữ liệu ban đầu bị loại bỏ trong quá trình nén, chúng sẽ đƣợc xấp xỉ về giá trị 1000002 trong quá trình giải nén.

Nguyên tắc hoạt động của khối này dựa trên bảng tra ngƣợc lại so với phía phát. Do dữ liệu vào có độ dài 8 bit nên ta có bảng tra bao gồm 256 giá trị ngõ ra 14 bits tƣơng ứng với các trƣờng hợp ngõ vào.

Hình 4. 21 Khối giải nén µ-255  Bảng tra cho phần dữ liệu dƣơng (bit dấu là 0)

MÃ ĐOẠN 000 001 010 011 100 101 110 111 MÃ LƢỢNG TỬ 0 31 99 231 495 1023 2079 4191 0000 1 35 107 247 527 1087 2207 4447 0001 3 39 115 263 559 1151 2335 4703 0010 5 43 123 279 591 1215 2463 4959 0011 7 47 131 295 623 1279 2591 5215 0100 9 51 139 311 655 1343 2719 5471 0101 11 55 147 327 687 1407 2847 5727 0110 13 59 155 343 719 1471 2975 5983 0111 15 63 163 359 751 1535 3103 6239 1000 17 67 171 375 783 1599 3231 6495 1001 19 71 179 391 815 1663 3359 6751 1010 21 75 187 407 847 1727 3487 7007 1011 23 79 195 423 879 1791 3615 7263 1100 25 83 203 439 911 1855 3743 7519 1101 27 87 211 455 943 1919 3871 7775 1110 29 91 219 471 975 1983 3999 8031 1111

 Bảng tra cho phần dữ liệu âm (bit dấu là 1)

Tƣơng tự nhƣ bảng tra dành cho nén đối với dữ liệu phần âm, dữ liệu ra đối với codeword âm sẽ là bù hai đối với dữ liệu ra đối với codeword phần dƣơng.

MÃ ĐOẠN 111 110 101 100 011 010 001 000 MÃ LƢỢNG TỬ 16383 16349 16281 16145 15889 15361 14305 12423 1111 16381 16345 16273 16129 15857 15297 14177 12167 1110 16379 16341 16265 16113 15825 15233 14049 11911 1101 16377 16337 16257 16097 15793 15169 13921 11655 1100 16375 16333 16249 16081 15761 15105 13793 11399 1011 16373 16329 16241 16065 15729 15041 13665 11143 1010 16371 16325 16233 16049 15697 14977 13537 10887 1001 16369 16321 16225 16033 15665 14913 13409 10631 1000 16367 16317 16217 16017 15663 14849 13281 10375 0111 16365 16313 16209 16001 15601 14785 13153 10119 0110 16363 16309 16201 15985 15569 14721 13025 9863 0101 16361 16305 16193 15969 15537 14657 12897 9607 0100 16359 16301 16185 15953 15505 14593 12769 9351 0011 16357 16297 16177 15937 15473 14529 12641 9095 0010 16355 16293 16169 15921 15441 14465 12513 8839 0001 16353 16289 16161 15905 15409 14401 12385 8583 0000

4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén và giải nén µ-255 để giảm PAPR nén và giải nén µ-255 để giảm PAPR

 Bên phía phát gồm các bộ: randomizer, channel encoder, IQ mapper, symbol OFDM, signal OFDM.

 Bên phía thu gồm các bộ: signal OFDM, symbol OFDM, channel Estimation, Equalizer, IQ demaper, channel decoder, derandomizer.

4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá)

Hình 4. 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên

Dữ liệu ngõ vào đầu tiên đƣợc cho qua khối randomizer. Khối này có tác dụng biến đổi chuỗi bit vào thành các bit „0‟ và „1‟ có phân bố ngẫu nhiên bằng cách XOR dữ liệu vào với ngõ ra bộ tạo ngẫu nhiên. Khối randomizer có tác dụng hạn chế trƣờng hợp các chuỗi bit „0‟ và „1‟ giống nhau kéo dài liên tiếp sẽ gây khó khăn cho việc đồng bộ thời gian lấy mẫu.

Ngƣợc lại với phía phát, dữ liệu ở phía thu sẽ đƣợc khôi phục bởi khối derandomizer (giải ngẫu nhiên).

4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder)

sử dụng thuật toán giải mã Viterbi ở đầu thu.

Khối mã hóa kênh đóng vai trò chủ yếu trong việc khôi phục lại chuỗi bit bị lỗi khi truyền mà không cần yêu cầu truyền lại. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc gửi kèm các bit dùng để sửa lỗi (redundancy bit) cùng với bit thông tin. Trong hệ thống OFDM ở trên, khối mã hóa kênh đƣợc sử dụng mã hoá chập (convolutional encoder) và

4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper)

Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao

Khối ánh xạ chòm sao thực hiện chức năng của bộ điều chế số. Khối này có thể tăng tốc độ truyền bằng cách ghép chuỗi bit thành nhiều symbol có kích thƣớc giống nhau. Tuỳ vào cách ánh xạ mà số bit trong mỗi symbol thay đổi.

Trong hệ thống OFDM ở trên, khối ánh xạ chòm sao sử dụng phƣơng pháp