3.2.1. Sự suy giảm tớn hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tớn hiệu là sự suy hao mức cụng suất tớn hiệu trong quỏ trỡnh truyền từ điểm này đến điểm khỏc. Điều này cú thể là do đường truyền dài, do cỏc tũa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hỡnh 3.1 cho thấy một số nguyờn nhõn làm suy giảm tớn hiệu. Bất kỡ một vật cản nào trờn đường truyền đều cú thể làm suy giảm tớn hiệu.
Hỡnh 3.1. Ảnh hưởng của mụi trường vụ tuyến
3.2.2. Hiệu ứng đa đường- Rayleigh fading - Rayleigh fading
Trong đường truyền vụ tuyến, tớn hiệu RF từ mỏy phỏt cú thể bị phản xạ từ cỏc vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tớn hiệu đến mỏy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa cỏc tớn hiệu đến mỏy thu làm cho biờn độ tớn hiệu thu bị suy giảm. Hỡnh 3.2 chỉ ra một số trường hợp mà tớn hiệu đa đường cú thể xảy ra. Đường phản xạ Đường đi thẳng Phỏt Thu
Mối quan hệ về pha giữa cỏc tớn hiệu phản xạ cú thể là nguyờn nhõn gõy ra nhiễu cú cấu trỳc hay khụng cú cấu trỳc. Điều này được tớnh trờn cỏc khoảng cỏch rất ngắn (thụng thường là một nửa khoảng cỏch súng mang), vỡ vậy ở đõy gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tớn hiệu cú thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trờn một khoảng cỏch ngắn. Hỡnh 3.3 mụ tả cỏc mức suy giảm khỏc nhau cú thể xảy ra do fading.
Phõn bố Rayleigh được sử dụng để mụ tả thời gian thống kờ của cụng suất tớn hiệu thu. Nú mụ tả xỏc suất của mức tớn hiệu thu được do fading. Bảng 3.1 chỉ ra xỏc suất của mức tớn hiệu đối với phõn bố Rayleigh.
Bảng 3.1. Sự phõn bố lũy tớch đối với phõn bố Rayleigh
Mức tớn hiệu (dB) Xỏc suất của mức tớn hiệu nhỏ hơn giỏ trị cho phộp (%)
10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 - Fading lựa chọn tần số Khoảng cỏch di chuyển M ức tớ n hi ệu ( dB )
Trong bất kỳ đường truyền vụ tuyến nào, đỏp ứng phổ khụng bằng phẳng do cú súng phản xạ đến đầu vào mỏy thu. Sự phản xạ cú thể dẫn đến tớn hiệu đa đường của cụng suất tớn hiệu tương tự như tớn hiệu trực tiếp gõy suy giảm cụng suất tớn hiệu thu do nhiễu. Toàn bộ tớn hiệu cú thể bị mất trờn đường truyền băng hẹp nếu khụng cú đỏp ứng tần số xảy ra trờn kờnh truyền. Cú thể khắc phục bằng hai cỏch:
- Truyền tớn hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương phỏp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
- Phõn toàn bộ băng tần thành nhiều kờnh băng hẹp, mỗi kờnh cú một súng mang, mỗi súng mang này trực giao với cỏc súng mang khỏc (tớn hiệu OFDM). Tớn hiệu ban đầu được trải trờn băng thụng rộng, khụng cú phổ xảy ra tại tất cả tần số súng mang. Kết quả là chỉ cú một vài tần số súng mang bị mất. Thụng tin trong cỏc súng mang bị mất cú thể khụi phục bằng cỏch sử dụng cỏc kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC.
- Trải trễ (Delay Spread)
Tớn hiệu vụ tuyến thu được từ mỏy phỏt bao gồm tớn hiệu trực tiếp và tớn hiệu phản xạ từ cỏc vật cản như cỏc tũa nhà, đồi nỳi… Tớn hiệu phản xạ đến mỏy thu chậm hơn so với tớn hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tớn hiệu đi thằng và tớn hiệu phản xạ cuối cựng đến đầu vào mỏy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ cú thể dẫn đến nhiễu liờn ký tự ISI. Điều này do tớn hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nú cú thể gõy ra lỗi nghiờm trọng ở cỏc hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghộp kờnh phõn chia theo thời gian TDMA.
Tớn hiệu trực tiếp
Tớn hiệu trễ Tớn hiệu thu được
t
Hỡnh 3.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gõy ra nhiễu liờn kớ tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lờn thỡ một lượng nhiễu ISI cũng tăng lờn một cỏch đỏng kể. Ảnh hưởng thể hiện rừ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng 3.2 đưa ra cỏc giỏ trị trải trễ thụng dụng đối với cỏc mụi trường khỏc nhau. Trải trễ lớn nhất ở mụi trường bờn ngoài xấp xỉ là 20μs, do đú nhiễu liờn kớ tự cú thể xảy ra đỏng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Bảng 3.2. Cỏc giỏ trị trải trễ thụng dụng
Nhiễu ISI cú thể được tối thiểu húa bằng nhiều cỏch:
- Giảm tốc độ ký tự bằng cỏch giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kờnh (như chia băng thụng ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
- Sử dụng kỹ thuật mó húa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
3.2.3. Dịch Doppler
Khi nguồn tớn hiệu và bờn thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tớn hiệu thu khụng giống bờn phớa phỏt. Khi chỳng di chuyển cựng chiều (hướng về nhau) thỡ tần số nhận được lớn hơn tần số tớn hiệu phỏt, và ngược lại khi chỳng di chuyển ra xa nhau thỡ tần số tớn hiệu thu được là giảm xuống. Đõy gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tựy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phỏt và nguồn thu và cả tốc độ truyền súng. Độ dịch Doppler cú thể được tớnh theo cụng thức:
c f f ≈± oν
∆ (3.1)
Trong đú: ∆f là khoảng thay đổi tần số của tần số tớn hiệu tại mỏy thu
Mụi trường Trải trễ Chờnh lệch quóng đường đi lớn nhất của tớn hiệu
Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m
ν là tốc độ thay đổi khỏc nhau giữa tần số tớn hiệu và mỏy phỏt
o
f là tần số tớn hiệu, c là tốc độ ỏnh sỏng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền súng lại nhiễu với dịch tần số súng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phỏt cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trỏi đất quỹ đạo thấp.
3.2.4. Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả cỏc hệ thống truyền dẫn. Cỏc nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ cỏc bộ khuếch đại bờn thu, và nhiễu liờn ụ (inter- cellular interference). Cỏc loại nhiễu này cú thể gõy ra nhiễu liờn kớ tự ISI, nhiễu liờn súng mang ICI và nhiễu liờn điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tựy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết cỏc loại nhiễu trong cỏc hệ thống cú thể được mụ phỏng một cỏch chớnh xỏc bằng nhiễu trắng cộng. Hay núi cỏch khỏc tạp õm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này cú mật độ phổ cụng suất là đồng đều trong cả băng thụng và biờn độ tuõn theo phõn bố Gaussian. Theo phương thức tỏc động thỡ nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kờnh truyền phổ biến là kờnh truyền chịu tỏc động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của cỏc hạt tải điện gõy ra) là loại nhiễu tiờu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tỏc động đến kờnh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số súng mang phụ là rất lớn thỡ hầu hết cỏc thành phần nhiễu khỏc cũng cú thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tỏc động trờn từng kờnh con vỡ xột trờn từng kờnh con riờng lẻ thỡ đặc điểm của cỏc loại nhiễu này thỏa món cỏc điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
3.2.5. Nhiễu liờn ký tự ISI
Nhiễu ISI là loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kờnh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đó giới thiệu ở trờn, ISI gõy ra do trải trễ đa đường. Để giảm ISI, cỏch tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yờu
cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đú giải phỏp này là khụng thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đó được đưa vào ứng dụng thực tế là chốn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tỏc động khụng nhỏ đến chất lượng tớn hiệu thu được, do đú việc tỡm hiểu nú cũng rất quan trọng để nõng cao chất lượng của hệ thống OFDM.
Trong mụi trường đa đường, ký tự phỏt đến đầu vào mỏy thu với cỏc khoảng thời gian khỏc nhau thụng qua nhiều đường khỏc nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gõy ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đú và kết quả là cú nhiễu liờn ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đú. Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương phỏp đơn giản và thụng dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.
3.2.6. Nhiễu liờn súng mang ICI
Trong OFDM, phổ của cỏc súng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với súng mang khỏc. Điều này cú nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi súng mang thỡ phổ của cỏc súng mang khỏc bằng khụng. Mỏy thu lấy mẫu cỏc ký tự dữ liệu trờn cỏc súng mang riờng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chỳng trỏnh nhiễu từ cỏc súng mang khỏc. Nhiễu gõy ra bởi cỏc dữ liệu trờn súng mang kế cận được xem là nhiễu xuyờn kờnh (ICI) như ở hỡnh 3.5.
ICI xảy ra khi kờnh đa đường thay đổi trờn thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trờn mỗi thành phần đa đường gõy ra dịch tần số trờn mỗi súng mang, kết quả là mất tớnh trực giao giữa chỳng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số súng mang của mỏy phỏt và mỏy thu cũng gõy ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
Sinh viên: Đặng Anh Tuấn 59 Lớp: 46K - ĐTVT
Cỏc súng mang phụ vẫn trực giao với nhau
Cỏc súng mang phụ bị dịch tần số gõy ra nhiễu liờn súng mang ICI
3.2.7. Tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tớn hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyờn ký tự (ISI), nhiễu xuyờn kờnh (ICI) đến tớn hiệu OFDM, đảm bảo yờu cầu về tớnh trực giao của cỏc súng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quỏ trỡnh xử lý, tớn hiệu OFDM được lặp lại cú chu kỳ và phần lặp lại ở phớa trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa cỏc ký tự phỏt kề nhau. Vậy sau khi chốn thờm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lỳc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thụng tin cú ớch TFFT (cũng chớnh là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phỏt đi một ký tự).
60 cop y Tớn hiệu trễ Tớn hiệu trễ cuối cựng Ký tự OFDM hữu ớch Ký tự OFDM khi mở rộng vũng TFFT Tớn hiệu trực tiếp
Ta cú: Ts = Tg + TFFT (3.2) Ký tự OFDM lỳc này cú dạng: − = − + − − = + = 1 , ,... 1 , 0 ) ( 1 , ,... 1 , ) ( ) ( N n n x n N n x n xT ν ν (3.3)
Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ớch TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nú cũn phụ thuộc vào từng loại hỡnh ứng dụng khỏc nhau. Nếu tỉ lệ đú lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống. Tuy nhiờn, nú phải bằng hoặc lớn hơn giỏ trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trỡ tớnh trực giao giữa cỏc súng mang nhỏnh và loại bỏ được cỏc xuyờn nhiễu ICI, ISI. Ở đõy, giỏ trị trải trễ cực đại là một thụng số xuất hiện khi tớn hiệu truyền trong khụng gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect), tức là tớn hiệu thu được tại bộ thu khụng chỉ đến từ đường trực tiếp mà cũn đến từ cỏc đường phản xạ khỏc nhau, và cỏc tớn hiệu này đến bộ thu tại cỏc thời điểm khỏc nhau. Giỏ trị
trải trễ cực đại được xỏc định là khoảng thời gian chờnh lệch lớn nhất giữa thời điểm tớn hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tớn hiệu thu được qua đường phản xạ.
Tiền tố lặp (CP) cú khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vỡ nú cho phộp tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số súng mang) trong hệ thống OFDM.
Ngoài khỏi niệm tiền tố lặp CP cũn cú khỏi niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tớn hiệu lấy IFFT được sao chộp và đưa ra phớa sau của tớn hiệu. Thờm vào hậu tố cũng cú thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vỡ nú làm giảm hiệu suất băng thụng. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thỡ chiều dài của nú phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Cũn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thỡ tổng chiều dài của chỳng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kờnh truyền.
3.3. Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tớn hiệu OFDM cú thể bị sai do điều kiện của quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu, bởi vỡ mỏy thu khụng thu nhận được thụng tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều này cú nghĩa là mỏy thu cần một khoảng thời gian cú độ dài xỏc định bằng thời gian symbol cú ớch để cú thể xỏc định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này cú khả năng giải quyết một cỏch hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread). Bằng cỏch chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế súng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lờn Ns lần, do đú sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần. Để loại bỏ ISI một cỏch gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thờm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để cỏc thành phần trễ (do multipath) từ một symbol khụng thể gõy nhiễu lờn symbol kế cận. Khoảng thời gian cú thể khụng chứa một tớn hiệu nào cả. Tuy nhiờn, trong trường hợp đú thỡ ICI xuất hiện gõy nhiễu giữa cỏc súng mang phụ làm cỏc súng mang phụ khụng cũn trực giao nữa.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gõy ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thụng tớn hiệu. Tuy nhiờn, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM cú thể khụi phục lại kờnh truyền thụng qua tớn hiệu dẫn đường
(Pilot) được truyền đi cựng với dũng tớn hiệu thụng tin. Ngoài ra, đối với cỏc kờnh phụ suy giảm nghiờm trọng về tần số thỡ OFDM cũn cú một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mó húa cho một tớn hiệu điều chế tại kờnh tần số đú.
Để cú thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phộp OFDM cú thể điều chỉnh tần số thớch hợp mặc dự việc thờm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung. Tức là một xung tớn hiệu nhiễu cú thể tỏc động xấu đến một chựm tớn hiệu thay vỡ một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.
Đối với một băng thụng hệ thống đó cho tốc độ symbol của tớn hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền súng mang đơn. Vớ dụ đối với tớn hiệu điều chế đơn súng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiờn, đối với OFDM băng thụng hệ thống được chia cho NC tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn NC lần so với truyền súng mang đơn. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt cỏc can nhiễu giữa can nhiễu ISI gõy ra bởi truyền lan nhiều đường.
Hỡnh 3.7. OFDM cú khoảng bảo vệ và khụng cú khoảng bảo vệ