Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise).
Lỗi thời gian
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu Pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization)và đồng bộ tinh (fine synchronization).
Nhiễu pha sóng mang
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu.
Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot.
Phương pháp này được giới thiệu lần đầu vào năm 1993 cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần. Theo đó, máy phát sẽ sử dụng mã hoá một số kênh nhánh với tần số và biên độ biết trước. Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ.
Thuật toán đồng bộ gồm ba bước: nhận biết công suất(Power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization), đồng bộ tinh (fine synchronization). Nhiệm vụ của nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách dò công suất thu và so sánh với mức ngưỡng.
Bước đồng bộ thô, tín hiệu sẽ được đồng bộ ban đầu với độ chính xác khá thấp là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này là không cao, song nó sẽ làm đơn giãn thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện đồng bộ thô, người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu và bản sao của tín hiệu phát (được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan. Tần suất ước lượng các điểm phải gấp bốn lần tốc độ tính hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan.
Ở bước đồng bộ tinh, do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên kể cả ảnh hưởng của lỗi đồng bộ, đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong thời khoảng của CP (vì thời khoảng của CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy lỗi pha sóng mang ở các kênh nhánh chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng. Các ký tự pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý. Thông thường ký tự pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM .
Đồng bộ ký tự dựa vào CP
Phương pháp này chủ yếu dựa trên ý tưởng cơ bản là xét hiệu hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N bước:
d(m) = r(m) – r(m+N) với N là số sóng mang nhánh. N cũng bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của ký tự OFDM (không kể cả CP), khi đó:
Nếu r(m) và r(m+N) tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên công suất của d(m) thấp.
Nếu r(m) và r(m+N) không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất trung bình của d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của ký tự OFDM.
Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng đúng bằng thời khoảng của CP (tức là điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì cửa sổ này trùng với thành phần CP của ký tự OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của ký tự OFDM, đồng bộ thời gian
PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 ... OFDM_N Trailer Ký tự pilot khối OFDM
a - Kênh fading phẳng tần số
PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 ... OFDM_N Trailer
khối OFDM Ký tự pilot
Chèn dải bảo vệ/tiền tố lặp
b - Kênh fading chọn lọc tần số
Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC: Frame synchronization Code).
Đồng bộ khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu của khung ký tự để tìm thấy vị trí chính xác của cửa sổ FFT. Những thuật toán đồng bộ khung ký tự truyền thống (dùng ký tự pilot, dùng CP, ...) thì dựa vào sự quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của ký tự. Nhưng các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của ký tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường.
Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung ký tự và vùng dữ liệu cho truyền dẫn ký hiệu OFDM như hình 3.3.
Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau:
SFrame(t)=SFSC(t)+Sdata(t-TFSC) (3.11) Trong đó: TFSC là thời khoảng tín hiệu FSC
Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi CA(n) của FSC và các mẫu không có GI đã qua FFT, biểu diễn như sau.
( ) A( ) s n =C n n=1,2,…,Cl : FSC . 1 2 0 1 ( ) ( ) m k N j N m m k s n X k e N π − = = ∑ k=1,2,…,N-1:data (3.12 ) FSC GI S0 GI S1 GI Sm 127 96 512 96 512 Đồng bộ khung Dữ liệu phát
Ở đây Cl là độ dài bít của FSC, và các mẫu CA(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là vị trí bắt đầu khung, sm(n) là chuỗi các mẫu của ký hiệu OFDM thứ m trong miền tần số và N là số sóng mang nhánh.
Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu, s(n)=CA(n) với C(n) =1,2,...,CL, được tạo thành từ vector FSC C(n)={C(1),C(2),...,C(CL)} gồm có CL giá trị nhị phân. Đối với mã C(n) mà có giá trị ‘1’, chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để tạo ra tín hiệu ba mức CA(n). Cho ví dụ: (n) ={1,0,0,1,1,1,0,1} thì CA(n) ={1,0,0,1,-1,1,-1,0,1}. Bằng thủ tục này, có thể duy trì số giá trị ‘1’ và ‘-1’ bằng nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động.
Hình 3.4. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC
Hình 3.4 trình bày cấu trúc đồng bộ khung ký tự OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ nhận biết bit ‘0/1’, CL thanh ghi dịch, bộ cộng Module-2 được giảm bớt, bộ tổng và bộ nhận biết đỉnh.
Thuật toán đồng bộ khung ký tự nhờ FSC gồm có các bước: nhận biết, nhận FSC, xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung ký tự.