Nhiễu trắng Gaussian

V. Giới hạn đề tài

3.5.2Nhiễu trắng Gaussian

Tạp âm trắng Gaussian cĩ mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng

thơng và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu

Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu trắng cĩ thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như

thời tiết,do bộ khuếch đại ở máy thu,do nhiệt độ,hay do con người. 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 sĩng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng cĩ 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.

3.5.3 Nhiễu liên ký tự ISI

ISI gây ra do trải trễ đa đường. Trong mơi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thơng qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đĩ và kết quả là cĩ nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đĩ.Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đĩ giải pháp này là khơng thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM.

3.5.4 Nhiễu liên sĩng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sĩng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sĩng mang khác. Điều này cĩ nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sĩng mang thì phổ của các sĩng mang khác bằng khơng. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sĩng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sĩng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sĩng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) .

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sĩng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu

ISI. Sự lệch tần số sĩng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.

3.5.5. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference_MAI)

Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống.

Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường địi hỏi rất khắt khe của viễn thơng di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ.

Để khử MAI người ta thường dùng các phương pháp trực giao nhưng trên thực tế khơng thể cĩ sự trực giao hồn tồn. Do đĩ MAI vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập.

Hình 3.9 nhiễu đa truy cập

3.5.6 Fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại Fading (Fading phẳng) sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức

tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này cịn được gọi là fading

nhanh vì sự suy giảm cơng suất tín hiệu rõ rệt trên khoảng cách ngắn (tại các nửa bước sĩng) từ 10-30dB.

Trong mơi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sụ thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau đến trễ lan truyền. Trễ lan truyền sẽ gây ra sự xoay pha của tín hiệu).

Hình 3.10 Các tín hiệu đa đường

Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sĩng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong khơng gian pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đĩ dẫn đến sự suy hao cơng suất tín hiệu thu được. Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mơ tả trạng thái thay đổi theo thời gian của cơng suất tín hiệu nhận được.

3.5.7 Fading lựa chọn tần số

Trong truyền dẫn vơ tuyến đáp ứng phổ của kênh là khơng bằng phẳng, nĩ bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng cĩ một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, cơng trình xây dựng, cây cối cĩ thể dẫn đến các tín hiệu đa đường cĩ cơng suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng. Điều này sẽ tạo ra các điểm “0”(nulls) trong cơng suất tín hiệu nhận được do giao thoa.

3.5.8 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường. Trong thơng tin vơ tuyến, trải trễ cĩ thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ cĩ thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí 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 đĩ làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.

Hình 3.11 Trải trễ đa đường

3.5.9 Dịch Doppler

Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu khơng giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler.

3.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM

3.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Dưới đây là các ưu điểm chính của kỹ thuật OFDM:

 Khả năng chống nhiễu ISI, ICI nhờ kỹ thuật giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ

S/P, sử dụng tiền tố lặp CP, các sĩng mang phụ trực giao với nhau.

 Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sĩng mang phụ

Hình 3.12 So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM

 Các kênh con cĩ thể coi là các kênh fading phẳng nên cĩ thể dùng các bộ cân

bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thơng tin, giảm độ phức tạp của máy thu.

 Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật tốn FFT và các bộ

ADC, DAC đơn giản.

3.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống OFDM cịn tồn tại nhiều nhược điểm:

Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sĩng mang, dải động của tín hiệu

lớn nên cơng suất tương đối cực đại PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại cơng suất.

Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sĩng mang. Vì

vậy phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống.

Cùng với các nhược điểm trên, ít cĩ nhu cầu OFDM trong thơng tin cố định do các hệ thống hiện tại vẫn đang hoạt động tốt và hiệu quả, là nguyên nhân việc triển khai sản phẩm mới đạt mức khiêm tốn trong khi ưu điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật này rất rõ ràng.

3.6.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM

Hiện nay, OFDM đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thơng tin số tốc độ cao như phát thanh và truyền hình số và sẽ được ứng dụng trong hệ thống thơng tin di động tương lai như hệ thống LAN vơ tuyến, các cơng nghệ truyền dẫn số tốc độ cao: ADSL, VDSL… OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thơng tin di động đa phương tiện (G4).

3.7 Kết luận chương

Chương này cho chúng ta hình dung một cách khái quát về kỹ thuật OFDM. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đĩ các sĩng mang con trực giao với nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM cĩ hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thơng thường.

Tìm hiểu kỹ thuật sử lý tín hiệu trong OFDM như mã hĩa và sửa sai trước FEC( Forward Error Correcting), phân tán kí tự, sắp xếp, sử dụng IFFT/FFT trong OFDM.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM như điều chế QPSK, QPSK, QAM.

Tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật trong OFDM như ước lượng tham số kênh, đồng bộ sĩng mang.

Tìm hiểu về đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM như sự suy hao, nhiễu gaussian, fading rayleigh, fading lựa chọn tần số, trải trễ, dịch Doppler.

Tìm hiểu ưu điểm và nhược điểm của OFDM để ứng dụng trong các hệ thống thơng tin di động như được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát âm thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN khơng dây…

HỆ THỐNG MC-CDMA

4.1 Hệ thống MC-CDMA

4.1.1 Cấu trúc tín hiệu

MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM. Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì MC-CDMA trải phổ trong miền tần số. Cơng nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sĩng mang phụ trực giao.

Mỗi một chíp của kí hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp được ánh xạ lên một sĩng mang phụ riêng. Do đĩ trong hệ thống MC_CDMA, các chíp của dữ liệu trãi phổ chuỗi trực tiếp được phát song song trên các sĩng mang phụ khác nhau, thay vì phát (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tuần tự như trong hệ thống MC_CDMA. Giả sử số user tích cực cùng một thời điểm trong hệ thống vơ tuyến di động MC_CDMA là k.

Hình 4.1 Nguyên tắc tạo tín hiệu MC-CDMA

Hình 4.1 cho thấy cách tạo một ký hiệu trải phổ đa sĩng mang từ ký hiệu dữ

liệu phức d(K) của user thứ K. Tốc độ của các kí hiệu dữ liệu nối tiếp là 1/Td. Khơng

mất tính tổng quát, cĩ thể mơ tả hệ thống MC-CDMA với một ký hiệu dữ liệu đơn cho mỗi user, do đĩ chỉ số dùng chỉ số thứ tự của ký hiệu cĩ thể bỏ đi.

Ở máy phát, ký hiệu dữ liệu phức d(K) được nhân với mã trải phổ đặc trưng

cho user thứ K :

(4.1)

Trong đĩ L=PG là chiều dài của mã trải phổ. Tốc độ chíp của mã trải phổ nối

tiếp( chưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp-song song) là : (4.2) Chuỗi kí hiệu phức đạt được sau khi trải phổ

(4.3)

Cuối cùng, tín hiệu trải phổ đa sĩng mang được tao ra bằng cách ánh xạ các kí hiệu

SL(K) lên L sĩng mang phụ. Trong trường hợp số sĩng mang phụ Nc bằng với chiều

dài của mã trải phổ, thời gian của một ký tự OFDM, bao gồm cả khoảng dự phịng sẽ là :

(4.4)

Cũng trong trường hợp này, một kí hiệu trong mỗi user sẽ được phát đi trong một kí hiệu OFDM.

4.1.2 Tín hiệu tuyến xuống (downlink)

Ở tuyến xuống đồng bộ, các tín hiệu trải phổ của k user được cộng lại với nhau trước khi thực hiện OFDM (xem hình 4.2), kết quả cộng lại k user với nhau tạo ra tín hiệu trải phổ:

(4.5)

Kết quả này cĩ thể viết dưới dạng ma trận : s = C.d (4.6)

Trong đĩ

(4.7)

Là vector gồm ký hiệu phát của k user tích cực, cịn C là ma trận mà cột thứ k là mã trải phổ đặc trưng cho user thứ k

(4.8)

Hình 4.2 máy phát MC-CDMA tuyến xuống

Tín hiệu MC-CDMA tuyến xuống là kết quả của quá trình xử lý tín hiệu s bằng khối OFDM. Giả sử rằng khoảng dự phịng là đủ dài, vector thu sau khi thực hiện biến đổi ngược OFDM và loại bỏ các khoảng tần số thừa sẽ được xác định bởi :

Trong đĩ H là ma trận LxL đặc trưng cho kênh truyền và n là vecto tín hiệu nhiễu chiều dài L. vec tơ r sẽ được đưa vào bộ phát hiện dữ liệu để ước lượng (bằng phương pháo cứng hoặc mềm) dữ liệu phát. Khi mơ tả kĩ thuật phát hiện đa user, vecto r sẽ được biểu diễn dưới dạng

(4.10)

Với A là ma trận hệ thống được xác định bởi A=H.C (4.11)

4.1.3 Tín hiệu tuyến lên ( uplink) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Ở tuyến lên, tín hiệu MC_CDMA cĩ được một cách trực tiếp sau khi xử lý chuỗi

S(K) của user thứ k bằng khối OFDM. Sau khi thực hiện quá trình biến đổi ngược

OFDM và loại bỏ khoảng tần số thừa ở máy thu vì vector thu ứng với chuỗi phát ở S(K) sẽ là

(4.12)

Trong đĩ hệ số H(K) bao gồm các hệ số của kênh truyền phụ ứng với user thứ k.

Tuyến lên phải được đồng bộ để phương pháp OFDM đạt hiệu suất phổ cao nhất. vector R này sẽ được đưa vào bộ phát hiện để ước lượng dữ liệu phát bằng phương pháp cứng hoặc mềm. Ma trận hệ thống A của tuyến lên được định nghĩa bởi

(4.13)

Được kết hợp các vector đặc trưng cho từng user :

(4.14)

4.2 Máy phát

Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số băng một mã trải cho truớc. Ngồi ra, mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng một sĩng mang phụ khác nhau. Đối với truyền đa sĩng mang, chúng ta cần đạt được fading khơng chọn lọc tần số trên mỗi sĩng mang. Vì thế, nếu tốc độ truyền của tín hiệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng của fading chọn lọc tần số thì tín hiệu cần chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi được trải trong miền tần số.

Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau :

Chuỗi dữ liệu ngõ vào cĩ tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự

phức ak.

Luồng thơng tin này ak được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i), ak,1(i), ..., ak,P-1(i)), trong đĩ I ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I (mỗi khối gồm P ký tự). Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk(0), dk(1),.. dk(KMC-1))cĩ chiều dài KMC để tạo ra tất cả

N=P.KMC(tương ứng với tổng số sĩng mang phụ) ký tự mới. Mỗi ký hiệu (ký tự)

mới này cĩ dạng tương tự như một ký tự trong hệ thống OFDM (chương 3). Ví dụ xét nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự OFDM bây giờ là Si,k=ak,0(i).dk(k) với k=0,1,..., KMC-1.

Hình 4.3 Máy phát MC –CDMA

Do sự tương tự giữa các ký tự trên mỗi nhánh con của hệ thống MC-CDMA và hệ thống OFDM nên việc điều chế sĩng đa mang tại băng tần gốc cĩ thể được thực hiện bằng phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT). Sau đĩ,tín hiệu OFDM từ P nhánh được tổng hợp với lại nhau.

Khoảng dự phịng (guard interval) được chèn vào dưới dạng tiền tố vịng (CP) giữa các ký tự để tránh ISI do fading đa đường và cuối cùng tín hiệu được phát trên kênh truyền sau khi đổi tần lên RF.

Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau: Sk

MC = (4.15)

T’

s = PTs (4.16)

(4.17)

Trong đĩ:dk(0), dk(1),.. dk(KMC-1) là mã trải phổ với chiều dài KMC. T’

s là khoảng kí hiệu trên mỗi sĩng mang phụ.

là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sĩng mang phụ.

là hệ số mở băng thơng kết hợp với chèn khoảng dự phịng (0 ):

= /PTs (4.18) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

ps(t) là dạng xung vuơng được định nghĩa:

ps(t)= (4.19)

(P*KMC-1)/(T’

s - )+2/ T’

s = (1+ )KMC/Ts

Băng thơng của tín hiệu phát được tính như sau: BMC = (P.KMC-1)/(T’ s- ) +2/ T’ s (4.20) ∆ ∑∑ ∑+∞ −∞ = − = − ∆ + π − = − i 1 P 0 p ) iT t ( f ) p Pm ( 2 j ' s s 1 K 0 m