9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƢỜNG
1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
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
- 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.
1.4.4.1. Ƣớc lƣợng 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
19
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 tín hiệu dẫn đƣờng :
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 thơng 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 u cầu. u cầu về tốc độ thơng 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.
1.4.4.2. Đồng bộ trong OFDM
Trong các hệ thống thơng tin thì đồng bộ là một vấn đề quan trọng, việc đồng bộ đúng sẽ quyết định việc thu có chính xác hay khơng và tín hiệu có giải mã đƣợc khơng. Đối với hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật OFDM thì việc đồng bộ chính xác lại càng trở nên quan trọng vì nó liên quan tới cửa sổ FFT sử dụng để giải điều chế tín hiệu và khả năng giảm nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, để thực hiện đồng bộ trong hệ thống OFDM có hai vấn đề cần giải quyết. Thứ nhất là đồng bộ về thời gian và thứ hai là đồng bộ về tần số. Việc đồng bộ thời gian là cần xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. Đối với vấn đề đồng bộ tần số thì phải đảm bảo đƣợc tần số tín hiệu thu đƣợc giống nhƣ là tần số tín hiệu bên phát.
a.Đồng bộ thời gian
Tại bên thu sẽ cần xác định chính xác điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi tín hiệu OFDM để tách ra đƣợc các tín hiệu riêng biệt sử dụng cho việc giải mã. Quá trình xác định này sẽ trở nên khó hơn trong trƣờng hợp hệ thống thu phát di chuyển, khi đó tín hiệu thu đƣợc sẽ bị co dãn về độ dài. Ví dụ nếu bên thu tiến lại gần bên phát thì các tín
20
hiệu OFDM thu đƣợc sẽ bị co ngắn lại, còn trƣờng hợp bên thu di chuyển xa ra khỏi phía phát thì tín hiệu thu bị kéo dãn ra.
b. Đồng bộ về tần số
Đồng bộ tần số là vấn đề quyết định đối với hệ thống thơng tin đa sóng mang. Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, các chỉ tiêu chất lƣợng cũng nhƣ các ƣu điểm của hệ thống này so với hệ thống thơng tin đơn sóng mang truyền thống bị giảm đi đáng kể. Trong hệ thống OFDM, do tính trực giao của các sóng mang con địi hỏi rất chặt chẽ nên việc đồng bộ giữa các sóng mang cũng cần đƣợc hết sức quan tâm để đảm bảo cho việc phục hồi tín hiệu. Có hai ngun nhân chính dẫn đễn việc mất đồng bộ sóng mang, đó là: Sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu tại máy thu không nằm đúng vào đỉnh của xung sin [sinc (x) = sin x / x]) và nhiễu kênh lân cận ICI....)
Biên độ
Tần số
Hình 1.9. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang
1.4.4.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio: Tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình)
Trong tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ đƣợc điều chế độc lập có
biên độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số và đƣợc truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ đƣợc cộng liền mạch với nhau, cơng suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với cơng suất trung bình. Trong trƣờng hợp xấu nhất, khi N tín hiệu đƣợc cộng cùng pha, cơng suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với cơng suất trung bình.
21
Kỹ thuật OFDM chia băng thông của tín hiệu thành những sóng mang phụ có băng thông hẹp hơn và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, nhƣ tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI… Nhƣng tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình cao là một trong những nhƣợc điểm chính trong hệ thống OFDM. PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết.
b. Các phƣơng pháp giảm công suất đỉnh trên cơng suất trung bình
Để giảm PAPR, có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng. Có 3 nhóm chính:
Kỹ thuật xén tín hiệu: bao gồm các phƣơng pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh (peak
windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để giảm PAPR là phƣơng pháp xén cơng suất tín hiệu truyền dƣới 1 mức ngƣỡng.
Kỹ thuật mã hóa: nguyên lý của phƣơng pháp này là chọn những từ mã với PAPR
nhỏ. Một số từ mã cũng có khả năng sửa lỗi cao. Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã Reed-Muller là một trong những từ mã rất tốt thƣờng đƣợc sử dụng và nó cũng cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phƣơng pháp rất tốt để giảm PAPR, nhƣng rất khó để tìm đƣợc đủ từ mã có PAPR nhỏ, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang phụ.
Kỹ thuật xáo trộn symbols: nhóm kỹ thuật này cịn đƣợc gọi là kỹ thuật xử lý tín
hiệu tuyến tính. Ý tƣởng cơ bản của nhóm phƣơng pháp này là mỗi symbol OFDM sẽ đƣợc xáo trộn thành những chuỗi khác nhau. Chuỗi có PAPR nhỏ nhất sẽ đƣợc chọn để truyền đi. Phƣơng pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải quyết đó là: PAPR phải đƣợc tính ở phía phát và thông tin về chuỗi đƣợc chọn sau khi đã xáo trộn cần phải đƣợc biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu.
Phƣơng pháp xén là phƣơng pháp đơn giản nhất để giảm tỷ số PAPR, đỉnh đƣờng bao của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi một giá trị ngƣỡng đƣợc thiết lập trƣớc.
Phƣơng pháp xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu khơng tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín hiệu và làm tăng tỷ lệ bit lỗi.
Phƣơng pháp mã hóa sẽ chọn từ mã có PAPR nhỏ để làm giảm PAPR cho tín hiệu khi phát đi. Mã tốt nhất sẽ đƣợc tìm và lƣu lại trong bảng để thực hiện mã hóa và giải mã.
22
Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào trong bảng sẽ rất phức tạp, nhất là đối với hệ thống OFDM có nhiều sóng mang con.
Mã hóa sửa sai có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một phƣơng pháp tối ƣu nó vừa có tác dụng trong việc mã hóa và sửa sai, lại có cơng dụng làm giảm đi PAPR cho hệ thống OFDM.