băng thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
e. Trải trễ
máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI, điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các ký tự lân cận. Nhiễu xuyên ký tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit.
Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
f. Dịch Doppler
Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số tín hiệu phía thu không giống phía phát. Nghĩa là khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được giảm xuống. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler.
1.7.2. Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
OFDM là kỹ thuật có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (Multpath delay speard). Bằng cách chia luồng dữ liệu thành N luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên N lần, do đó sẽ làm giảm tỷ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống N lần.
Tuy nhiên, để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được chèn thêm vào trước mỗi symbol. Dải bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả hai phần của chính symbol đó.
Chèn thêm khoảng bảo vệ làm thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Mặt khác, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn được liên tục, không có sự ngắt quãng giữa các symbol. Dải bảo vệ cho phép giảm lỗi do sự xê dịch thời gian ở máy thu.
1.7.3. Giới hạn băng thông của OFDM
Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóng mang con dạng sin đã được điều chế. Mỗi sóng mang con được đặt trong một cửa sổ thời gian hình chữ nhật. Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM được tạo ra.
a. Lọc băng thông
Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ. Trong OFDM, lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng phụ thộc vào dạng bộ lọc được sử dụng.
Hình 1.10. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc
Các bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyến lọc cũng như tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tương tự. Do đó, trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn chế dãy tín hiệu.
Hình 1.11. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3
Hình 1.10 biểu diễn đáp tuyến tần số OFDM không lọc. Hình 1.11 biểu diễn tín hiệu OFDM được lọc băng thông. Ở đây các tín hiệu này được lọc bằng bộ đáp tuyến xung hữu hạn FIR và dùng phương pháp cửa sổ để tổng hợp.
Trong thực tế bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp, thực hiện đắt và nó làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR của hệ thống.
Việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng lượng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con này và gây ra can nhiễu giữa các sóng mang con ICI.
Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ, tuy nhiên nó
b. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR
Việc dùng lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra. Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tạp cần thiết tương ứng với:
Ntaps = ceil . t t F IFFT W . (1.17) Trong đó, Ntaps: Số tạp trong bộ lọc
Wt: Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được dùng để tạo bộ lọc FIR
IFFT: Kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệu
Ft: Độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hóa cho khoảng cách tải phụ
Ceil: Phép làm tròn về phía lớn hơn
Ví dụ để tạo tín hiệu cần lọc với bộ lọc 24 tap. Điều này có thể tính từ đặc điểm kỹ thuật tín hiệu. Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFFT là 64, do vậy IFFT = 64. Hàm cửa sổ Kaiser với độ rộng quá độ 3 được sử dụng, dẫn đến suy giảm dải chắn (stop band) là 89dB. Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không được lọc là -20dB và sau khi lọc là -109dB. Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là:
Ntaps = ceil . 24 8 64 0 . 3 = × (1.18)
Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích lũy MAC (Multiply And Accumulate) như các kết quả mẫu phức. Và như vậy đối với
tần số lấy mẫu 20 MHz số phép tính sẽ là: 20 x 106 x 24 x 2 = 960 triệu MAC.
Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn.
c. Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM
Trong thời gian symbol có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sin trong miền tần số. Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng
trong miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật.
Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài, bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ. Do đó, hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.
d. Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng
Một phương pháp đơn giản để loại bỏ các búp sóng phụ là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 trước khi chuyển sang symbol khác. Điều này tạo ra một sự chuyển đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm được năng lượng của các búp sóng phụ.
Hình 1.12 biểu diễn cấu trúc của một OFDM symbol được chèn dải bảo vệ dạng cos nâng.
Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau mà chỉ gây ra một lượng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết được. Ưu điểm của việc chồng phổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăng thêm yêu cầu về dải thông cho symbol.
Chương 2. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG MANG PHÂN CHIA THEO MÃ (MC - CDMA)
2.1. Giới thiệu chương
Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Kỹ thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ khả năng vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Vì thế, trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ trong CDMA, máy thu phân tập đa đường Rake và một số đặc điểm của kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA như: nguyên lý hoạt động, máy phát và máy thu, ưu nhược điểm của hệ thống
2.2. Giới thiệu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã 2.2.1. Kỹ thuật trải phổ
Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hóa bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin. Vì vậy, ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hóa có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin.
Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin và mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin.
Kỹ thuật trải phổ có một số ưu điểm:
+ Khả năng đa truy nhập: Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn.
+ Tính bảo mật thông tin cao: Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải
phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức.
+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường: Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng. Vì vậy, tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó.
Các kỹ thuật trải phổ bao gồm ba phương pháp cơ bản sau:
+ Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS): Thực hiện trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip cao hơn rất nhiều so với tốc độ bit.
+ Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FHSS): Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số. Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên. Tần số trong khoảng thời gian một chip Tc được cố định không đổi. Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại.
+ Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (THSS): Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian. Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung.
a. Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS) Nguyên lý cơ bản:.
Tín hiệu cần truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi mã giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức.
Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb.
Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >>fb.
Như vậy: d(t).c(t) = − = − + = 1 ) ( ), ( 1 ) ( ), ( t d t c t d t c (2.1)
Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit
fb của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất
cao. Tần số này được gọi là tốc độ chip. Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức: VDS-SS(t) = 2PSd(t).c(t).cosw0t (2.2) Trong đó, PS: công suất phát [W] Bộ điều chế băng rộng d(t) Bộ tạo mã PN c(t) Bộ tạo sóng mang Máy phát Bộ giải điều chế dữ liệu Bộ tạo sóng mang Bộ tạo mã PN cr(t) d r(t) Máy thu
w0: tần số sóng mang [rad/s]
Nếu so sánh (2.2) với biểu thức của BPSK:
VBPSK(t) = 2PSd(t).cosw0t (2.3)
Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ
chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu VBPSK có tốc độ bit
fb, vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ VDS-SS thấp hơn nhiều so
với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ VBPSK. Nếu fc đủ lớn, mật
độ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nên khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức.
Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t)
được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu.
Hình 2.2. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ
Ưu điểm:
+ Có khả năng thực hiện đa truy cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát.
+ Việc tạo ra các tín hiệu mã hóa tương đối đơn giản do chỉ cần sử