Hình 32 : Mơ hình kênh truyền sóng
1.5. Các giả định
Mỗi anten phát đi trên kênh truyền độc lập với các kênh truyền của các anten phát khác.
Đối với anten thứ i, ký hiệu phát đi được nhân với giá trị phức ngẫu nhiên hi (đặc trưng của kênh truyền thứ i). Xem xét kênh truyền Rayleigh, giá trị phần thực và
phần ảo của hi tuân theo phân bố Gaussian với kỳ vọng µhi=0 và phương sai
2 1 2 i h σ = .
Kênh truyền giữa anten phát và anten thu biến đổi ngẫu nhiên theo thời gian, tuy
nhiên ta giả định rằng: kênh truyền này không thay đổi qua 2 khe thời gian.
Tín hiệu tại anten thu chịu tác động của tạp âm nhiệt n (nhiễu trắng) được mô tả bởi hàm mật độ xác suất 2 2 ( ) 2 2 1 ( ) 2 n p n e µ σ πσ − − = với µ =0 và 2 0 2 N σ = 1.6. Giải mã hóa STBC
Tại khe thời gian đầu tiên, tín hiệu thu được là [ ] 1 1 1 1 2 2 1 1 2 1 2 x y h x h x n h h n x = + + = + (1)
65 PHẠM NHƯ NGỌC * * * 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 [ ] x y h x h x n h h n x − = − + + = + (2) Trong đó :
o y1, y2 là ký hiệu thu được trên khe thời gian thứ nhất và hai.
o h1, h2 là đặc tính kênh truyền thứ nhất và thứ 2.
o x1, x2 là ký hiệu được phát;
o n1 và n2 là nhiễu trắng trên 2 khe thời gian thứ nhất và thứ hai. Biểu diễn 2 phương trình (1) và (2) dưới dạng ma trận:
1 1 2 1 1 * * * * 2 2 1 2 2 y h h x n y h h x n = + −
Ký hiệu H là ma trận đáp ứng xung của kênh truyền
1 2 * * 2 1 h h H h h = − Để tìm được 1 2 x x
, ta cần biết được ma trận nghịch đảo của H. Một ma trận kích thước m×n, ma trận nghịch đảo của nó là:
1 ( H ) H H+ = H H − H Với 2 2 * 1 2 1 2 1 2 * * * 2 2 2 1 2 1 1 2 0 ( ) 0 H h h h h h h H H h h h h h h + = − − = + Bởi vì H
H H là một ma trận đường chéo, nên nghịch đảo của ma trận này chính là nghịch đảo của các phần tử đường chéo. Cụ thể là:
2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 0 ( ) 1 0 H h h H H h h − + = +
66 PHẠM NHƯ NGỌC 1 1 1 * 2 2 ( H ) H x y H H H x y − = 1 1 1 * 2 2 (H HH ) HH H x n x n − = + 1 1 1 * 2 2 ( H ) H x n H H H x n − = +
Kết quả : Với phương pháp mã hóa STBC – Alamouti ở trên ta có thể hồn tồn
thu được tín hiệu truyền ban đầu.
2. Công nghệ OFDM.
Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM)là một phương pháp mã hóa dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang. OFDM đã phát triển thành một chương trình phổ biến cho băng rộng thơng tin liên lạc kỹ thuật số , cho dù không dây hoặc dây đồng trên , được sử dụng trong các ứng dụng như phát sóng truyền hình và âm thanh kỹ thuật số, DSL truy cập internet băng thông rộng , mạng không dây và truyền thông di động 4G .
OFDM là cơ bản giống với Code OFDM (COFDM) và điều chế đa âm rời rạc
(DMT), và là ghép kênh phân chia tần số (FDM) chương trình được sử dụng như là
một kỹ thuật số đa phương pháp điều chế … . Một số lượng lớn rất gần nhau tín hiệu sóng mang phụ trực giao được sử dụng để mang dữ liệu . Dữ liệu được chia thành một số dòng dữ liệu song song hoặc kênh, một cho mỗi cung cấp dịch vụ phụ. Mỗi nhà cung cấp dịch vụ phụ là điều chế với một chương trình điều chế thông thường (chẳng hạn như điều chế biên độ vng góc hay pha ca keying ) tại một tỷ lệ biểu tượng thấp , duy trì tốc độ dữ liệu tổng số tương tự như đề án điều chế thông thường đơn tàu sân baytrong cùng một băng thông.
Ưu điểm chính của OFDM là nhà cung cấp dịch vụ duy nhất là khả năng để xử lý với các điều kiện kênh nghiêm trọng (ví dụ , suy giảm của tần số cao trong một dây đồng dài, hẹp nhiễu và mờ dần do chọn lọc tần số để đa ) mà khơng có bộ lọc cân bằng phức tạp. Kênh cân bằng đơn giản bởi vì OFDM có thể được xem như là sử
67 PHẠM NHƯ NGỌC dụng tín hiệu băng hẹp từ từ điều chế thay vì hơn một cách nhanh chóng điều chế tín hiệu băng rộng . Tỷ lệ biểu tượng thấp làm cho việc sử dụng một khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu giá cả phải chăng, làm cho nó có thể để loại bỏ sự can thiệp
intersymbol (ISI) và sử dụng tiếng vang và thời gian lây lan (hiện như bóng ma trên TV tương tự) để đạt được một lợi ích đa dạng , tức là một cải thiện tín hiệu-to- noise ratio . Cơ chế này cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế mạng lưới tần số duy nhất (SFNs), thiết bị phát sóng một số liền kề gửi cùng một tín hiệu cùng một lúc tại cùng một tần số, như các tín hiệu từ máy phát nhiều xa có thể được kết hợp xây dựng, chứ không phải là can thiệp thường sẽ xảy ra trong một truyền thống hệ thống duy nhất-nhà cung cấp dịch vụ.
2.1 Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động Trực giao. Trực giao.
Khái niệm, OFDM là một bộ phận của điều chế FDM, bổ sung thêm tất cả các tín hiệu sóng mang trực giao với nhau.
Trong OFDM, các tần số sóng mang phụ được lựa chọn để các sóng mang phụ trực
giao với nhau, có nghĩa là qua nói chuyện giữa các kênh phụ bị loại bỏ và ban nhạc
bảo vệ được liên sóng mang khơng cần thiết. Điều này giúp đơn giản hố việc thiết kế của cả hai máy phát và người nhận , không giống như thông thường FDM , một bộ lọc riêng biệt cho mỗi kênh phụ là không cần thiết.
Trực giao yêu cầu khoảng cách giữa các sóng mang phụ Hertz , nơi T U giây là thời gian biểu tượng hữu ích (kích thước cửa sổ phía người nhận), và k là
một số nguyên dương, thường bằng 1. Vì vậy, với N sub-tàu sân bay, tổng băng thông dải thông sẽ là B ≈ N · Δ f (Hz).
Trực giao này cũng cho phép hiệu suất phổ cao , với tỷ lệ biểu tượng tổng cộng gần tốc độ Nyquist đối với tín hiệu baseband tương đương (tức là gần một nửa tỷ lệ Nyquist đối với tín hiệu ban nhạc đơi bên passband vật lý). Hầu như tồn bộ băng tần có sẵn có thể được sử dụng. OFDM có gần một quang phổ 'trắng', cho nó thuộc
68 PHẠM NHƯ NGỌC
Một ví dụ đơn giản: Một thời gian biểu tượng hữu ích T U = 1 ms sẽ yêu cầu một khoảng cách phụ mang (Hoặc bội số của đó) trực giao. N = 1,000 phụ sẽ cho kết quả trong một tổng băng thông dải thông của N Δf = 1 MHz. Đối với thời gian này, biểu tượng, băng thông yêu cầu về mặt lý thuyết theo Nyquist là N / 2 T U = 0,5 MHz (tức là, một nửa số băng thông đạt được u cầu của chương trình của chúng tơi). Nếu một khoảng bảo vệ được áp dụng (xem dưới đây), Nyquist băng thông yêu cầu sẽ được thậm chí cịn thấp hơn. FFT sẽ dẫn đến N = 1.000 mẫu cho mỗi biểu tượng. Nếu khơng có khoảng bảo vệ đã được áp dụng, điều này sẽ dẫn đến một tín hiệu băng tần cơ sở có giá trị phức tạp với một tỷ lệ
mẫu của 1 MHz, mà sẽ yêu cầu băng thông baseband là 0,5 MHz theo Nyquist. Tuy nhiên, tín hiệu dải thơng RF được sản xuất bằng cách nhân tín hiệu baseband với một dạng sóng mang (tức là, đơi biên vng góc biên độ, điều chế) trong một dải thông băng thông của 1 MHz. Một ban nhạc duy nhất-side (SSB) hoặc
sideband vestigial (VSB) điều chế sẽ đạt được hầu như một nửa băng thông cho tốc độ cùng một biểu tượng (tức là cao gấp đôi hiệu quả quang phổ cho cùng một
chiều dài bảng chữ cái biểu tượng). Tuy nhiên, nhạy cảm hơn nhiễu đa đường.
Tần số OFDM rất chính xác địi hỏi phải đồng bộ hóa giữa máy thu và máy phát, với độ lệch tần số sóng mang phụ sẽ khơng cịn là trực giao, gây can nhiễu giữa
các bên. Độ lệch tần số thường được gây ra bởi máy phát không phù hợp và tạo
dao động thu, hoặc bằng cách dịch chuyển Doppler do sự chuyển động. Trong khi sự thay đổi Doppler một mình có thể được bồi thường của người nhận, tình hình trở nên tồi tệ hơn khi kết hợp với đa đường , là sự phản xạ sẽ xuất hiện tại các độ lệch tần số khác nhau, đó là khó khăn hơn nhiều để sửa chữa. Hiệu ứng này thường nặng hơn như tăng tốc độ, [1] và là một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng
OFDM trong xe tốc độ cao. Một số kỹ thuật cho ICI đàn áp được đề nghị, nhưng họ có thể làm tăng sự phức tạp nhận.
69 PHẠM NHƯ NGỌC Trực giao cho phép bộ điều biến có hiệu quả và thực hiện bộ giải điều chế bằng cách sử dụng các thuật tốn FFT trên phía người nhận, và FFT ngược về phía người gửi. Mặc dù các nguyên tắc và một số lợi ích đã được biết đến từ những năm 1960, OFDM là phổ biến cho truyền thông băng rộng ngày hơm nay bằng cách chi phí thấp xử lý tín hiệu kỹ thuật số thành phần hiệu quả có thể tính tốn FFT.
Bảo vệ khoảng thời gian để xóa bỏ sự can thiệp intersymbol
Một nguyên tắc quan trọng của OFDM là kể từ khi đề án điều chế biểu tượng tỷ lệ thấp (tức là, các biểu tượng tương đối dài so với các kênh đặc điểm thời gian) bị ảnh hưởng ít hơn từ sự can thiệp intersymbol do multipath tuyên truyền gây ra , đó là thuận lợi để truyền tải một số lãi suất thấp suối song song thay vì một dịng duy nhất có tỷ lệ cao. Kể từ khi thời gian của mỗi biểu tượng là dài, nó là khả thi để chèn một khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu OFDM, do đó loại trừ sự can thiệp
intersymbol.
Khoảng bảo vệ cũng giúp loại bỏ sự cần thiết cho một bộ lọc xung định hình , và nó làm giảm nhạy cảm với vấn đề đồng bộ hóa thời gian.
Một ví dụ đơn giản: Nếu gửi một triệu biểu tượng trên giây bằng cách sử dụng điều chế đơn sóng mang thơng thường trên một kênh khơng dây, sau đó thời gian của mỗi biểu tượng sẽ là một micro giây hoặc ít hơn. Điều này áp đặt các hạn chế nghiêm trọng về đồng bộ hóa và địi hỏi phải loại bỏ nhiễu đa đường. Nếu các triệu cùng một biểu tượng cho mỗi thứ hai được lan truyền trong số 1.000 kênh, thời
gian của mỗi biểu tượng có thể được lâu hơn bởi một yếu tố của một ngàn (tức là, một phần nghìn giây) trực giao với băng thơng khoảng. Giả sử rằng một khoảng thời gian bảo vệ 1/8 chiều dài biểu tượng được chèn vào giữa mỗi biểu tượng. Can thiệp intersymbol có thể tránh được nếu đa thời gian lan truyền (thời gian giữa việc tiếp nhận những người đầu tiên và echo cuối cùng) là ngắn hơn so với khoảng bảo vệ (tức là, 125 micro giây). Điều này tương ứng với một sự khác biệt tối đa là 37,5 km giữa độ dài của các đường dẫn.
70 PHẠM NHƯ NGỌC
Tiền tố tuần hoàn , được truyền trong khoảng thời gian bảo vệ, bao gồm của sự kết
thúc của ký hiệu OFDM được sao chép vào các khoảng bảo vệ, và khoảng bảo vệ được truyền theo sau là ký hiệu OFDM. Lý do mà các khoảng bảo vệ bao gồm một bản sao của sự kết thúc của các ký hiệu OFDM là để nhận sẽ tích hợp trên một số nguyên của chu kỳ hình sin cho các multipaths khi nó thực hiện giải điều chế OFDM với FFT.
Cân bằng giản thể.
Những ảnh hưởng của điều kiện kênh chọn lọc tần số, cho phai ví dụ gây ra bởi tun truyền đa đường, có thể được coi là khơng đổi (căn hộ) trên một kênh OFDM phụ nếu con kênh là đủ dải hẹp (ví dụ, nếu số lượng tiểu kênh là đủ lớn). Điều này làm cho cân bằng miền tần số có thể nhận , đơn giản hơn nhiều hơn so với cân bằng miền thời gian được sử dụng trong điều chế đơn sóng mang thơng thường. Trong OFDM, bộ cân bằng chỉ có nhân từng phát hiện con tàu sân bay (mỗi hệ số Fourier) trong mỗi ký hiệu OFDM của một số phức tạp, liên tục, hoặc một giá trị hiếm khi thay đổi.
Ví dụ của chúng tơi: cân bằng OFDM trong ví dụ bằng số nói trên sẽ địi hỏi một phép nhân phức tạp có giá trị cho mỗi sóng mang con và biểu tượng (tức là,
phép nhân phức tạp cho mỗi ký hiệu OFDM, nghĩa là, một triệu phép nhân trong một giây, người nhận). Các thuật toán FFT yêu cầu
[Điều này là khơng chính xác của các phép nhân phức tạp trong hơn một nửa là
tầm thường, tức là = là 1 và không được thực hiện trong phần mềm hoặc HW]. phép nhân phức tạp giá trị mỗi ký hiệu OFDM (tức là 10 triệu phép nhân trong một giây), nhận và bên truyền. Điều này nên được so sánh với 1.000.000 biểu tượng
tương ứng / điều chế sóng mang thứ hai trường hợp duy nhất được đề cập trong ví
dụ, sự cân bằng của 125 micro giây thời gian lây lan bằng cách sử dụng một bộ lọc FIR yêu cầu, trong một thực hiện ngây thơ, 125 phép nhân mỗi biểu tượng (tức là, 125 triệu phép nhân mỗi giây). Kỹ thuật FFT có thể được sử dụng để giảm số
71 PHẠM NHƯ NGỌC lượng phép nhân cho một bộ cân bằng bộ lọc FIR thời gian miền dựa trên một số
so sánh với OFDM, với chi phí của sự chậm trễ giữa việc tiếp nhận và giải mã mà
cũng trở nên so sánh với OFDM.
Nếu khác biệt giữa điều chế như DPSK hoặc DQPSK được áp dụng cho mỗi nhà cung cấp dịch vụ phụ, cân bằng có thể được hồn tồn bỏ qua, kể từ khi các đề án không thống nhất là không nhạy cảm với biên độ từ từ thay đổi và bóp méo giai đoạn .
Trong một nghĩa nào đó, cải thiện cân bằng FIR bằng cách sử dụng FFTs FFTs một phần dẫn toán học gần gũi hơn để OFDM, nhưng kỹ thuật OFDM là dễ dàng hơn để hiểu và thực hiện, và các kênh phụ có thể được độc lập, thích nghi theo những cách khác hơn so với các hệ số cân bằng khác nhau chẳng hạn như chuyển đổi giữa các mẫu khác nhau QAM chịm sao và các chương trình sửa lỗi để phù hợp với cá nhân phụ kênh tiếng ồn và đặc tính can thiệp.
Một số của các sóng mang phụ trong một số các ký hiệu OFDM có thể mang tín
hiệu thí điểm để đo lường các điều kiện kênh [2][3] (tức là, đạt được cân bằng và
chuyển giai đoạn cho từng nhà cung cấp dịch vụ phụ). Tín hiệu phi cơng và các ký hiệu đào tạo ( preambles ) cũng có thể được sử dụng để đồng bộ hóa thời gian (để tránh can thiệp intersymbol, ISI) và đồng bộ hóa tần số (để tránh nhiễu giữa các nhà cung cấp dịch vụ, ICI, gây ra bởi sự thay đổi Doppler).
OFDM ban đầu được sử dụng cho truyền thơng khơng dây có dây và văn phịng phẩm. Tuy nhiên, với một số lượng ngày càng tăng của các ứng dụng hoạt động trong môi trường di động cao, hiệu ứng mờ dần phân tán gây ra bởi sự kết hợp của nhiều con đường tuyên truyền và sự thay đổi doppler là quan trọng hơn. Trong thập kỷ qua, nghiên cứu đã được thực hiện trên làm thế nào để cân bằng OFDM truyền trên các kênh kép có chọn lọc.
72 PHẠM NHƯ NGỌC OFDM không thay đổi được sử dụng kết hợp với kênh mã hóa ( chuyển tiếp sửa
lỗi), và hầu như luôn luôn sử dụng tần số và /hoặc thời gian đan xen .