Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này đƣợc tính trên các khoảng cách rất ngắn và thông thƣờng là một nửa khoảng cách sóng mang, vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 1.14 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.
Phân bố Rayleigh đƣợc sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu đƣợc do fading. Bảng 1.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
Bảng 1.1. Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh [7]
Mức tín hiệu (dB)
Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)
10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đƣờng truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến hiện tƣợng đa đƣờng và làm suy giảm công suất tín hiệu. Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất
1 2 3 Khoảng cách di chuyển 10 0 -10 -20 -30 Mức tín hiệu (dB)
trên đƣờng truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Có thể khắc phục bằng hai cách :
- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phƣơng pháp trải phổ nhƣ CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu đƣợc trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC .
Trải trễ
Tín hiệu vô tuyến thu đƣợc từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản nhƣ các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến 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.
Hình 1.15. Trải trễ đa đường
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đƣờng bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA.
Hình 1.15 cho thấy ảnh hƣởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lƣợng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hƣởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit.
Tín hiệu trực tiếp
Tín hiệu trễ
Bảng 1.2 đƣa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trƣờng khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trƣờng bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Bảng 1.2. Các giá trị trải trễ thông dụng [7]
Môi trƣờng Trải trễ Chênh lệch quãng đƣờng đi lớn nhất của tín hiệu
Trong nhà 40ns-200ns 12m-60m
Bên ngoài 1µs-20µs 300m-6km
Nhiễu ISI có thể đƣợc tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
- Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh nhƣ chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM.
- Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI nhƣ trong CDMA.
1.6.3 Dịch tần Doppler
Khi nguồn tín hiệu bên phát và bên thu chuyển động tƣơng đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển lại gần nhau thì tần số nhận đƣợc lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngƣợc lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu đƣợc là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch Doppler có thể đƣợc tính theo công thức:
c f f o
Trong đó f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu. là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát. folà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
1.6.4. Nhiễu AWGN
Nhiễu AWGN tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô. Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI. Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả sử
dụng phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải đƣợc lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể đƣợc mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố hàm Gaussian. Theo phƣơng thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác ðộng của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện, 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 đƣợc 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.
1.7. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM [2]
- OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
+ Ƣớc lƣợng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang
+ Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio)
- Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống OFDM nếu dùng phƣơng pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhƣợc điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
1.7.1. Ước lượng tham số kênh
Ƣớc lƣợng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phƣơng pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã đƣợc bên thu biết trƣớc về pha và biên độ.
Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu đƣợc với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hƣởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ƣớc lƣợng kênh có thể đƣợc phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Có hai vấn đề chính đƣợc quan tâm khi sử dụng PSAM:
- Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lƣợng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể đƣợc thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hƣởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.
- Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ƣớc lƣợng kênh: Phải giảm đƣợc độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo đƣợc độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngƣợc nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.
1.7.2 Đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất đƣợc quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhƣợc điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ƣu điểm đặc trƣng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, ngƣời ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization).
1.7.2.1 Đồng bộ ký tự
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 đƣợc thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần đƣợc 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 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 trƣờng hợp này thì thời gian trễ của một ký tự đƣợc xem nhƣ là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này đƣợc xác định nhờ kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phƣơng 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.
Phƣơng pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot đƣợc áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu đƣợc truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phƣơng pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trƣớc thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phƣơng pháp này sau đó đã đƣợc điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi đƣợc truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bƣớc 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 tƣợng không ổn định về pha của các sóng
mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu.
1.7.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang
Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính đƣợc quan tâm đến là lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ƣớc lƣợng tần số.
Lỗi tần số
Lỗi tần số đƣợc tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hƣởng do lỗi tần số gây ra là: suy giảm biên độ tín hiệu thu đƣợc (vì tín hiệu không đƣợc lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao).
Ƣớc lƣợng tần số
Tƣơng tự nhƣ kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang đƣợc sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thƣờng là
các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trƣớc về pha và biên độ sẽ giúp ta ƣớc lƣợng đƣợc độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ƣớc lƣợng, ngƣời ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL).
Nhận xét : Một vấn đề cần đƣợc quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký
tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hƣởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lƣợng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhƣng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt đƣợc các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.
1.7.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu
Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu đƣợc lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Ngƣời ta đƣa ra hai phƣơng pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phƣơng pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phƣơng pháp thứ hai đƣợc gọi là : Lấy mẫu không đồng bộ. Trong phƣơng pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn đƣợc giữ nguyên nhƣng tín hiệu đƣợc xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.
1.7.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio)
- Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Nhƣ vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM.
- PAPR của một ký tự OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phƣơng một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phƣơng của mẫu này: 2 2 1 ,... 1 , 0 max PAPR m m N m X X (1.10)
- PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu
- Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK): Do các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1.
Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8
- Có hai phƣơng pháp giảm PAPR chính :
+ Đƣa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.
+ Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PAPR thấp.
1.8. Ƣu khuyết điểm của OFDM
1.8.1. Ưu điểm
- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
- Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng.
- Chống đƣợc nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.
- Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.
- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao.
1.8.2. Khuyết điểm