KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ ĐƠN SểNG MANG (SC-FDMA)
2.2. Xử lý tín hiệu SC-FDMA
Hình 2.1 mô tả một máy phát SC-FDMA gửi một khối dữ liệu đến máy thu.
Đầu vào của máy phát và đầu ra của máy thu là các symbol điều chế phức. Các hệ
thống thực tế có khả năng thích nghi một cách tự động kỹ thuật điều chế với chất lượng kênh, bằng sử dụng khóa dịch pha nhị phân (BPSK) trong các kênh chất lượng kém và điều chế biên độ biên độ trực giao 64 mức (64-QAM) trong các kênh chất lượng tốt. Khối dữ liệu bao gồm M symbol điều chế phức được tạo ra với tốc độ
giây symbol
Rsource / . Hình 2.2 cung cấp các chi tiết ba thành phần trung tâm của máy phát trong Hình 2.1. Biến đổi Fourier rời rạc M-điểm (DFT) tạo ra M symbol trên miền tần số điều chế M sóng mang trong số N sóng mang con trực giao trải trên độ
rộng băng thông :
[ ]Hz
f N
Wchannel = ⋅ 0 (2.1) Trong đó f0 [Hz] là khoảng cách giữa các sóng mang con. Tốc độ kênh truyền dẫn là
[symbol giây]
M R
Rchannel = N ⋅ source /
(2.2) Nếu ký hiệu Q là hệ số trải phổ băng thông, có nghĩa là:
M N R
Q R
source channel =
=
(2.3) Sau đó, hệ thống SC-FDMA có thể điều khiển Q tín hiệu nguồn trực giao với mỗi nguồn chiếm tập M sóng mang con trực giao khác nhau. Trong chú thích của Hình 2.2, xm(m=0,1,...,M −1) biểu diễn các symbol nguồn đã được điều chế và
) 1 ,..., 1 , 0
(k = M −
Xk biểu diễn M mẫu DFT của xm. Yl(l=0,1,..., N−1) biểu diễn các mẫu trên miền tần số sau khi ánh xạ sóng mang con và yn(n=0,1,..., N−1) biểu diễn các symbol trên miền thời gian đã được phát, nhận được từ việc biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT của Yl. Khối ánh xạ khối sóng mang con trên Hình 2.1 và 2.2 gán các symbol điều chế trên miền tần số cho các sóng mang con. Quá trình ánh xạ đôi khi được gọi là lập lịch.
Hình 2.1: Cấu trúc máy phát và máy thu của các hệ thống SC-FDMA và OFDMA. [2]
Bởi vì các thiết bị đầu cuối bị phân tán về mặt không gian có các kênh pha-đinh độc lập với nhau, SC-FDMA và OFDMA có thể có lợi từ việc lập lịch phụ thuộc kênh. Biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) trong Hình 2.1 và 2.2 tạo ra việc biểu diễn trên miền thời gian, yn, của N symbol sóng mang con. Bộ biến đổi song song nối tiếp bố trí y y0, ,...1 yN−1 phù hợp với việc điều chế sóng mang tần số vô tuyến và
truyền đến máy thu.
Máy phát trong Hình 2.1 thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu khác trước khi truyền dẫn. Đó là chèn một tập các symbol được gọi là tiền tố vòng (CP) để cung cấp thời gian bảo vệ để ngăn chặn nhiễu giữa các khối dữ liệu (IBI) do truyền dẫn đa đường. Máy phát cũng thực hiện hoạt động lọc tuyến tính được gọi là tạo dạng xung để giảm năng lượng tín hiệu ngoài dải băng. Tiền tố vòng là bản sao chép của phần cuối cùng của khối dữ liệu. Nó được chèn vào vị trí đầu tiên của mỗi khối dữ liệu vì
hai lý do. Thứ nhất, CP đóng vai trò như là khoảng thời gian phòng vệ giữa các khối liền kề. Nếu độ dài của CP lợi hơn trải trễ lớn nhất của kênh, hay nói một cách đại khái là, chiều dài của đáp ứng xung kênh truyền thì không có IBI.
Hình 2.2: Thế hệ của SC-FDMA truyền symbol, có N sóng mang con trong đó M (<N) sóng mang con được chiếm bởi các dữ liệu đầu vào. [2]
Thứ hai, vì CP là một bản sao của phần cuối cùng của khối dữ liệu nên nó
chuyển đổi tích chập tuyến tính trên miền thời gian rời rạc thành tích chập vòng trên miền thời gian rời rạc. Như vậy, việc truyền dữ liệu đã được phát đi thông qua kênh truyền có thể mô hình hóa như là tích chập vòng giữa đáp ứng xung của kênh và khối dữ liệu đã được phát đi trên miền tần số là theo từng điểm của các mẫu tần số DFT. Do đó, để loại bỏ méo kênh truyền thì DFT của tín hiệu đã nhận được có thể được chia một cách đơn giản nhờ DFT của đáp ứng xung kênh truyền theo từng điểm. Bộ lọc tạo dạng xung thông thường là bộ lọc cosin nâng. Các biểu diễn trên miền thời gian và
trên miền tần số của bộ lọc như sau:
( )
− − +
= , 0
2 , cos 1
2 1 , )
( T T f T
T f
P α
α π
f T f T T
f T
2 1
2 1 2
1
2 0 1
α
α α
α
≥ +
≤ +
− ≤
≤ −
≤
(2.4)
2 2
2 /
4 1
) / cos(
/ ) / ) sin(
( t T
T t T
t T t t
p α
πα π
π
⋅ −
= (2.5)
Trong đó T là chu kỳ symbol và α là hệ số uốn lọc.
Hình 2.3: Bộ lọc cosine nâng. [1]
Hình 2.3 minh họa về mặt hình học các bộ lọc cosine nâng trên miền tần số và
trên miền thời gian. Hệ số uốn lọc α nằm trong khoảng từ 0 đến 1 và điều khiển lượng bức xạ ngoài dải băng. Với α = 0, bộ lọc là một bộ lọc dải thông lý tưởng khử toàn bộ
bức xạ ngoài dải băng. Khi α tăng, bức xạ ngoài dải băng cũng tăng. Theo trên miền thời gian, các búp sóng bên cạnh của đáp ứng xung bộ lọc tăng lên khi α giảm và điều này làm tăng công suất đỉnh của tín hiệu được phát đi sau khi tạo dạng xung. Vì vậy, sự lựa chọn của hệ số bộ lọc uốn lọc yêu cầu sự dung hòa giữa các mục đích bức xạ ngoài dải băng thấp và tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình thấp. DFT trong máy thu Hình 2.1 biến đổi tín hiệu thu được ở miền tần số trong chế độ phục hồi N sóng mang con. Việc giải ánh xạ thực hiện tách M mẫu trong miền tần số của mỗi tín hiệu nguồn.
Bởi vì SC-FDMA sử dụng điều chế đơn sóng mang, nó gặp phải méo tuyến tính thực chất được hiện ra như là nhiễu liên symbol (ISI). Bộ san bằng trong miền tần số sẽ triệt bỏ ISI. Khối IDFT tại máy thu như trong Hình 2.1 biến đổi các symbol đã được san bằng trở lại miền thời gian, sau đó sẽ có một bộ tách sóng làm nhiệm vụ nhận lần lượt
M symbol điều chế.
Hình 2.4 minh họa hoạt động máy thu SC-FDMA từ một phối cảnh truy nhập đa người dùng trong đường lên. Trước khi thực hiện quá trình giải điều chế SC-FDMA cơ bản, trạm gốc phân chia người dùng trong miền tần số trong quá trình giải ánh xạ sóng mang con.
Hình 2.1 chỉ ra rằng kết hợp SC-FDMA xử lý tín hiệu trong các phần tử của OFDMA và cộng thêm khối DFT ở đầu vào của máy phát và tương ứng là khối IDFT
ở đầu ra của máy thu. Vì máy phát SC-FDMA có nhiệm vụ mở rộng băng thông tín hiệu để bao phủ băng thông của kênh, SC-FDMA đôi khi còn được gọi là OFDMA trải bởi DFT.
Hình 2.4: Cấu trúc máy thu SC-FDMA từ một phối cảnh truy nhập đa người dung với Q thiết bị đầu cuối trong đường lên. [2]