9. Ố CỤC CỦ AB LUẬN ÁN
1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƯỜNG
1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vơ 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:
- Ước lượng tham số kênh. - Đồng bộ
- Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR (Peak to Average Power Ratio)
Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
1.4.4.1. Ước lượng tham số kênh
Ước lượng 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 ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ
cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được 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 được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng tín hiệu dẫn đường :
Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu,
hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thơng khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được 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 hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.
Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh: Phải giảm được độ phức tạp
của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được 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 ngược nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hịa 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 được khơng. Đối với hệ thống thơng 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 được tần số tín hiệu thu được giống như 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 được các tín hiệu riêng biệt sử dụng cho việc giải mã. Quá trình xác định này sẽ trở nên khó hơn trong trường hợp hệ thống thu phát di chuyển, khi đó tín hiệu thu được sẽ bị co dãn về độ dài. Ví dụ nếu bên thu tiến lại gần bên phát thì các tín
Biên độ
Tần số
hiệu OFDM thu được sẽ bị co ngắn lại, còn trường 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 khơng bảo đảm, các chỉ tiêu chất lượng cũng như các ưu 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 được 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. )
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 cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình)
Trong tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ được 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 được truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ được cộng liền mạch với nhau, công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với cơng suất trung bình. Trong trường hợp xấu nhất, khi N tín hiệu được cộng cùng pha, cơng suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với cơng suất trung bình.
Kỹ thuật OFDM chia băng thơng của tín hiệu thành những sóng mang phụ có băng thơng hẹp hơn và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, như tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI… Nhưng tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình cao là một trong những nhược 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 phương pháp giảm công suất đỉnh trên cơng suất trung bình
Để giảm PAPR, có nhiều phương pháp được sử dụng. Có 3 nhóm chính:
Kỹ thuật xén tín hiệu: bao gồm các phương pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh
(peak windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để giảm PAPR là phương pháp xén cơng suất tín hiệu truyền dưới 1 mức ngưỡng.
Kỹ thuật mã hóa: nguyên lý của phương 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 thường được sử dụng và nó cũng cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phương pháp rất tốt để giảm PAPR, nhưng rất khó để tìm được 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 được gọi là kỹ thuật xử lý tín
hiệu tuyến tính. Ý tưởng cơ bản của nhóm phương pháp này là mỗi symbol OFDM sẽ được xáo trộn thành những chuỗi khác nhau. Chuỗi có PAPR nhỏ nhất sẽ được chọn để truyền đi. Phương pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải quyết đó là: PAPR phải được tính ở phía phát và thơng tin về chuỗi được chọn sau khi đã xáo trộn cần phải được biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu.
Phương pháp xén là phương pháp đơn giản nhất để giảm tỷ số PAPR, đỉnh đường bao của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi một giá trị ngưỡng được thiết lập trước.
Phương 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.
Phương pháp mã hóa sẽ chọn từ mã có PAPR nhỏ để làm giảm PAPR cho tín hiệu khi phát đi. Mã tốt nhất sẽ được tìm và lưu lại trong bảng để thực hiện mã hóa và giải mã.
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 được sử dụng như là một phương pháp tối ưu nó vừa có tác dụng trong việc mã hóa và sửa sai, lại có cơng dụng làm giảm đi PAPR cho hệ thống OFDM.