Hình 2 .5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, σ2 =1
Hình 2.10 Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau
Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: khơng gian, tần số và thời gianMiền không gian Miền tần số Miền thời gian Miền không gian Miền tần số Miền thời gian
Thông số d;
Thăng giáng ngẫu nhiên BD; c B τ ≈ σ 1 50 c D T B ≈ 1 στ
Nhược điểm Chọn lọc không gian Chọn lọc tần số Chọn lọc thời gian
Giải pháp MIMO OFDM Thích ứng
Mục đích Lợi dụng đa đường Pha đinh phẳng (T≥στ)
Pha đinh chậm (BS>>BD)
Chú thích d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output; BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét cho trường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; στ: trải trễ trung bình quân phương; TC: thời gian nhất qn của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát
Các thơng số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng nhất quán (xem bảng 2.2). Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhất quán và trải trễ trung bình quân phương. Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS và BTS. Các thơng số này có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian nhất quán của của kênh.Trải trễ xẩy ra do trễ đa đường. Độ rông băng nhất quán của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình quân phương. Vì thế trải trễ trung bình qn phương có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số. OFDM đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc tần số vì nó có thể chuyển pha đinh chọn lọc tần số vào pha đinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trung bình qn phương (xem chương 3). Ngồi ra thích ứng đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc thời gian trong miền thời gian, vì nó hầu như ln ln làm cho độ rộng băng tín hiệu phát lớn hơn nhiều so với trải Doppler bằng cách thay đổi các thông số của hệ thống truyền dẫn theo các thông số kếnh (xem chương 5).
Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chương 3
Nguyên lý hoạt động của OFDM 3.1. Mở đầu
Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vơ tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thơng cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng. Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số. Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu. Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn. Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh.
Theo đó chương này trước hết, đồ án trình bầy ngun lý hoạt động của một hệ thống điều chế OFDM. Sau đó xét các thơng số hiệu năng của nó. Cuối cùng xét ảnh hưởng của các thơng số kênh truyền sóng lên dung lượng cũng như chất lượng truyền dẫn của hệ thống OFDM.
3.2. Tính trực giao
Ý tưởng
Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Việc xếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến ta không những đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần được cấp phát cao mà cịn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể. So với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những khơng được phép chồng lấn nhau mà cịn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu).
Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (ICI) và thời gian (ISI). Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con. Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI.
Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào q trình tạo và thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao.
Định nghĩa
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t)&sj(t). Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả mãn điều kiện sau ( ) ( ) ≠ = = ∫+s t .s t dt 10,, ii jj T 1 t T t * j i s s (3.1) Trong đó: ( ) ( ) ≠ = = π ∆ , 0 N , 2 , 1 k , e t s ft k 2 j k (3.2) T 1 f =
∆ là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con và N.∆f là băng thơng truyền dẫn và ts là dịch thời gian.
Minh hoạ
OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thơng tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang. Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là tồn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu. Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau.
Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình 3.1. Trong đó, (3.1.1a), (3.1.2a), (3.1.3a) và (3.1.4a) thể hiện các sóng mang con riêng lẻ, với tần số tương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz. Pha ban đầu của tồn bộ các sóng mang con này là 0. (3.1.5a) và (3.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số.
Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường minh ở hình 3.2. Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung tâm. Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của tồn bộ các sóng mang con khác. Hình 3.2 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống.
Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 3.3.
Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM Đồ án tốt nghiệp Đại học