Trong hệ thống PSK, cỏc thành phần đồng pha và vuụng pha được kết hợp với nhau tạo thành một tớn hiệu đường bao khụng đổi. Tuy nhiờn, nếu loại bỏ loại này và để cho cỏc thành phần đồng pha và vuụng pha cú thể độc lập với nhau thỡ ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biờn cầu phương điều chế biờn độ súng mang QAM (điều chế biờn độ gốc). Ở sơ đồ điều chế này, súng mang bị điều chế cả biờn độ lẫn pha. Điều chế QAM là cú ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quỏt của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xỏc định như sau: 1( ) 2 0 cos(2 ) 2 0 b sin(2 f t);(0 t T) T E t f a T E t S = i πc − i πc ≤ ≤ (2.20) Trong đú,
E0 : năng lượng của tớn hiệu cú biờn độ thấp nhất
ai, bi: cặp số nguyờn độc lập được chọn tựy theo vị trớ bản tin.
Tớn hiệu súng mang gồm hai thành phần vuụng gúc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tớn hiệu rời rạc. Vỡ thế cú tờn là " điều chế tớn hiệu vuụng gúc".
Cú thể phõn tớch Si (t) thành cặp hàm cơ sở. T t t πf b T t Φ1( )=− 2 isin(2 c.) 0≤ ≤ T t t πf a T t Φ2( )= 2 isin(2 c.) 0≤ ≤ (2.21) Hỡnh 2.17. Chựm tớn hiệu M-QAM 2.5.4. Mó Gray
Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vectơ truyền cho tất cả cỏc liờn hợp từ dữ liệu. Mỗi liờn hợp từ dữ liệu phải được phõn phối một vectơ IQ duy nhất. Mó Gray là một phương phỏp cho sự phõn phối này, sao cho cỏc điểm
cạnh nhau trong chũm sao chỉ khỏc nhau một bớt đơn. Mó này giỳp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bớt toàn bộ vỡ nú giảm cơ hội nhiều lỗi bớt xảy ra từ một lỗi symbol đơn.
Mó Gray cú thể được sử dụng cho tất cả cỏc sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK, 16-PSK) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM...).
Bảng Mó Gray Hỡnh 2.18. Giản đồ IQ của 16-PSK khi dựng mó Gray. Mỗi vị trớ IQ liờn tiếp chỉ thay đổi một bit đơn.
Hỡnh 2.19. Giản đồ IQ cho cỏc dạng điều chế sử dụng trong OFDM
2.6. Cỏc đặc tớnh của OFDM
Qua bản chất của OFDM, ta cú thể túm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:
2.6.1. Ưu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cỏch cho phộp chồng lấp những súng mang con.
- Bằng cỏch chia kờnh thụng tin ra thành nhiều kờnh con fading phẳng băng hẹp, cỏc hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống súng mang đơn.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyờn nhiễu giữa cỏc súng mang (ICI) bằng cỏch chốn thờm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Sử dụng việc chốn kờnh và mó kờnh thớch hợp, hệ thống OFDM cú thể khụi phục lại được cỏc symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của cỏc kờnh.
- Kỹ thuật cõn bằng kờnh trở nờn đơn giản hơn kỹ thuật cõn bằng kờnh thớch ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn súng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào cỏc chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Cỏc phương phỏp điều chế vi sai (differental modulation) giỳp trỏnh yờu cầu vào bổ sung bộ giỏm sỏt kờnh.
- OFDM ớt bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn súng mang.
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyờn kờnh kết hợp. Ngoài những ưu điểm trờn thỡ OFDM cũng cú những hạn chế.
2.6.2. Nhược điểm
- Symbol OFDM bị nhiễu biờn độ với một khoảng động lớn. Vỡ tất cả cỏc hệ thống thụng tin thực tế đều bị giới hạn cụng suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiờm trọng của OFDM nếu dựng bộ khuếch đại cụng suất hoạt động ở miền bóo hũa đều khuếch đại tớn hiệu OFDM. Nếu tớn hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thỡ sẽ gõy nờn nhiễu xuyờn điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của cỏc bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rỳt ngắn (clipping) tớn hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả mộo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.
- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của súng mang hơn cỏc hệ thống đơn súng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn súng mang. Tần số offset của súng mang gõy nhiễu cho cỏc súng mang con trực giao và gõy nờn nhiễu liờn kờnh làm giảm hoạt động của cỏc bộ giải điều chế một cỏch trầm trọng. Vỡ vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.
2.7. Kết luận
Nội dung của chương chỉ đưa ra cỏc khỏi niệm cơ bản và một số vấn đề liờn quan về OFDM. Trong thực tế cũn phải xột ảnh hưởng của kờnh truyền vụ tuyến lờn tớn hiệu trong quỏ trỡnh truyền đi. Vỡ ảnh hưởng, tớn hiệu thu cú thể bị suy giảm biờn độ, cú thể bị mất thụng tin ở một số chỗ, mất mỏt cụng suất… Chương sau sẽ đề cập đến cỏc đặc tớnh kờnh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM.
CHƯƠNG 3. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KấNH TRUYỀN Vễ TUYẾN
3.1. Giới thiệu chương
Kờnh truyền tớn hiệu OFDM là mụi trường truyền súng giữa mỏy phỏt và mỏy thu. Trong kờnh truyền vụ tuyến lý tưởng, tớn hiệu nhận được bờn thu được truyền theo tầm nhỡn thẳng. Tuy nhiờn trong thực tế, kờnh truyền tớn hiệu vụ tuyến bị thay đổi. Việc nghiờn cứu cỏc đặc tớnh của kờnh truyền là rất quan trọng vỡ chất lượng của hệ thống truyền vụ tuyến là phụ thuộc vào cỏc đặc điểm này.
3.2. Đặc tớnh kờnh truyền vụ tuyến trong hệ thống OFDM3.2.1. Sự suy giảm tớn hiệu (Attenuation) 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