5. Phương pháp nghiên cứu
2.2.6. Nhiễu liên sóng mang ICI
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) nhưở hình dưới.
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 sóng 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 sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
Lê Thị Cúc 53 Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3.43 - Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
3.3. Khc phc mt s nh hưng đn cht lưng phát sóng DVB-T
3.3.1. Sử dụng tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chếđến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích TFFT(cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự).
Lê Thị Cúc 54 Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 3.44 – Mô tả tiền tố lặp Ta có: Ts =Tg +TFFT (3.2) Ký tự OFDM lúc này có dạng: ( ) ( ) T x n N x x n = + Nếu , 1,..., 1 0,1,..., 1 n v v n N = − − + − = − (3.3) Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau. Nếu tỉ lệđó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từđường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ.
Lê Thị Cúc 55 Luận văn thạc sỹ khoa học Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.
Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.
3.3.2. Sử dụng khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread). Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần. Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận. Khoảng thời gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực giao nữa.
Lê Thị Cúc 56 Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3.45 - OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần sốđó.
Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung. Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn. Ví dụđối với tín hiệu điều chế
Lê Thị Cúc 57 Luận văn thạc sỹ khoa học đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền lan nhiều đường.
Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol. Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol. Symbol của OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu kỳ. Việc đưa vào các bản sao của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn.
3.3.3. Lọc băng thông
Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ (aliasing). Trong OFDM, lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng. Nhìn chung bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỉ lệ cắt (cut of rate) lớn hơn nhiều lọc tương tự, do đó chúng hữu ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM.
Đáp tuyến tần số OFDM không lọc. Tín hiệu OFDM được lọc băng thông. Các tín hiệu này được lọc bằng đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùng phương pháp cửa sổ (Windowing). Do số tải phụđược dùng trong các hình là nhỏ có thể thấy roll off của bộ lọc FIR. Trong thực tế, loại bỏ tất cả các búp sóng bên, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và giá thành cao và nó làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR của kênh OFDM. Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu, và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ, tuy nhiên nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng.
Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sine trong miền tần số. N ếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu
Lê Thị Cúc 58 Luận văn thạc sỹ khoa học sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng trong miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật. Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài. Bằng việc chọn offset thời gian đểđồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.
3.4. Gii h n băng thông ca OFDM
Trong miền thời gian, OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sine điều chế. Mỗi symbol nằm trong thời gian xác định với hàm cửa sổ hình chữ nhật. Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác định đáp tuyến được tạo ra. Thời gian truyền OFDM khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ là cốđịnh và pha thay đổi từ symbol này sang symbol khác để truyền dữ liệu. Pha tải phụ thì không đổi đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol. Những thay đổi đột biến giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tần số.
Hình 3.46 - Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông
3.5. Kt lun
Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu khi truyền đi trong không gian. Đồng thời các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM cũng được đề cập đến. Để hạn chế nhiễu và ảnh hưởng của kênh truyền đa đường thì ở chương sau đề cập đến một số kỹ thuật được ứng dụng trong OFDM.
Lê Thị Cúc 59 Luận văn thạc sỹ khoa học
Chương IV – Ước lượng tham số và xây dựng mô hình kênh truyền OFDM ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T
4.1. Gii thiu
Trong chương trước chúng ta đã giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM. Trong đó, chúng ta đề cập đến những vấn đề kỹ thuật mà hệ thống OFDM gặp phải. Ở chương này, chúng ta giải quyết vấn đề ước lượng tham số kênh. Ước lượng tham số kênh (Channel Estimation) trong hệ thống OFDM bao gồm: xác định hàm truyền đạt kênh nhánh và thời gian thực hiện giải điều chế kết hợp bên thu. Trong chương này chúng ta tìm hiểu các phương pháp ước lượng kênh: ước lượng kênh sử dụng ký tự dẫn đường và ước lượng Wiener.
4.2. Mô hình ưc lưng kênh
4.2.1. Mô hình kênh
Trong hệ thống OFDM, đáp ứng xung của kênh có thểđược biểu diễn như sau: ( , ) k( ) ( k)
k
h t τ =∑γ t δ τ τ− (4.1)
Trong đó: τk là thời gian trễ của đường truyền thứ k, γk( )t là biên độ phức tương ứng Rời rạc hóa mô hình trên h t( , )τ =h nT lT( f, s), rồi áp dụng DFT ta được:
0 1 0 1 2 [ , ] ( , ) exp k l j kl H n k h n l N k − = Π = − ∑ (4.2)
Trong đó: N là số kênh nhánh của một khối OFDM. Tf, ∆f là độ dài thời gian và khoảng cách kênh nhánh của hệ thống OFDM, chu kỳ mẫu quan hệ với ∆f như sau: Tf =1/N f∆ , K0 là thời gian trễ trong mẫu hoặc độ dài đáp ứng xung kênh truyền, thường thì rất nhỏ hơn N (K0<<N).
4.2.2. Ước lượng kênh
Một kỹ thuật đơn giản đểước lượng kênh là gửi tín hiệu pilot t n k[ , ] trong quá trình truyền trên mọi kênh nhánh: r n k[ , ]=H n k t n k[ , ] [ , ] với k=0, 1,…, N-1 (4.3)
Lê Thị Cúc 60 Luận văn thạc sỹ khoa học Trong đó: N là số kênh nhánh của khối OFDM, H[n,k] là đáp ứng tần số của kênh thứ k, w[n,k] là AWGN.
Ước lượng kênh trong miền tần số thực hiện độc lập với mọi kênh nhánh. Các ước lượng kênh HFDE[ , ]n k nhận được bằng cách chia tín hiệu thu r n k[ , ] cho tín hiệu truyền
[ , ]
t n k và chuyển đến ước lượng miền tần số (FDE: Frequency Domain Estimation) nghĩa
là: [ , ] [ , ] [ , ] FDE r n k H n k t n k = với k=0, 1, …N-1 (4.4) Kỹ thuật này thực hiện đơn giản, tuy nhiên không diễn tả được mỗi tương quan
trong các phép ước lượng kênh nhánh. Để thực hiện ước lượng kênh, chúng ta lợi dụng mối tương quan của các phép ước lượng kênh nhánh trong miền tần số bằng cách chuyển đến miền thời gian. Chúng ta biết rằng các phép ước lượng kênh nhánh trong miền thời gian thường bị giới hạn bởi độ dài trải trễ kênh K0, mà K0 thì nhỏ hơn chiều dài tiền tố lặp (CP) là ∆. Do đó, phép lấy cửa sổ chỉ yêu cầu các ước lượng kênh K0 đầu tiên trong miền thời gian giúp cho giảm nhiễu về không, mặt khác nó thể hiện kết quả các ước lượng kênh tốt hơn. Sau đó chuyển đổi ngược trở lại miền tần số cho yêu cầu của phép ước lượng kênh được đề nghị. Biểu diễn bằng công thức:
1 0 1 2 [ , ] [ , ]exp K PDE PDE k j kl h n l H n k K k − = Π = ∑ với l=0, 1,…, N-1 (4.5) [ , ] [ , ] [ , ] PRO PDE h n l =h n l γ n l với l=0, 1,…, N-1 (4.6) [ ] = , 0 , 1 ,l n γ − + = − = 1 ,..., 1 , 1 ,..., 1 , 0 0 0 0 N K K l K l 1 2 [ , ] [ , ]exp PRO PRO j lk H n k h n l K K Π = − ∑ với k=0,1,…,N-1 (4.7) Trong đó: hPDE[ , ]n l là IDFT của hPDE[ , ]n k
γ[ , ]n k là cửa sổ miền thời gian
hPRO[ , ]n l là các ước lượng kênh nhánh được lấy cửa sổ trong miền thời gian HPRO[ , ]n k là các ước lượng kênh miền tần số, là IDFT của hPRO[ , ]n l
Lê Thị Cúc 61 Luận văn thạc sỹ khoa học
4.3. Các phương pháp ưc lưng kênh
2.4.1 Phương pháp ước lượng kênh dùng pilot
Phương pháp này được thực hiện bằng cách chèn các tone pilot vào mọi sóng mang nhánh của các ký tự OFDM theo một chu kỳ nào đó hoặc chèn các tone pilot vào mỗi ký tự OFDM. Tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu bên thu đã biết. Tại bên thu so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot ban đầu sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ở bên thu, tín hiệu thu đưa đến bộ ước lượng kênh sau khi được ước lượng rồi được đưa đến khối phân xử (decision), khối này sẽ so sánh đánh giá để đưa ra dữ liệu chính xác.
Hình 4.47 - Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot
2.4.1.1. Cách thức ước lượng kênh dùng pilot