Chương 3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM [7,8]
3.3. Các vấn đề liên quan đến OFDM
Trong kênh vô tuyến, bên nhận có thể nhận nhiều bản sao chậm trễ của tín hiệu truyền và nó được gọi là hiệu ứng đa đường.
K Kýý hhiiệệuu 11
K Kýý hhiiệệuu 22
32
Hình 3.3. (a) Minh hoạ của ISI do chậm trễ đa đường, (b) Khoảng bảo vệ bằng không để tránh ISI, (c) khoảng bảo vệ với tiền tố lặp để loại bỏ ISI.
Hình 3.3a cho thấy một kịch bản trong đó có hai bản sao của sóng nhận được, một đến trước và một là do hiện tượng chậm trễ gây ra, nhiễu liên ký tự được gây ra bởi vì đuôi của một phần của kỹ hiệu 1 sẽ can thiệp vào việc sử lý các ký hiệu 2, để loại bỏ nhiễu liên ký tự, một khoảng bảo vệ của Ng mẫu thường được chèn vào đầu của mỗi ký hiệu OFDM, như mô tả trong hình 3.3b, độ dài của khoảng bảo vệ được tạo ra dài hơn chậm trễ lây lan của các kênh không dây, kết quả là, mức độ chậm trễ lây lan trong môi trường hoạt động phải có trước, lưu rằng, các khoảng bảo vệ thực sự lãng phí tài nguyên truyền tải, do đó tỷ lệ chiều dài của khoảng bảo vệ với thời gian biễu tượng OFDM hiệu quả thường được giữ dưới ẳ.
K Kýý hhiiệệuu 11
KýKý hhiiệệuu 22
K
Khhooảảnngg bbảảoo vvệệ ((bb))
K
Kýý hhiiệệuu 11 KýKý hhiiệệuu 22
KKhhooảảnngg bbảảoo vvệệ
33
Trong khoảng bảo vệ, máy phát có thể gửi dạng sóng rỗng, sơ đồ này được gọi là truyền tải khoảng đệm không (zero padding - ZP), được minh hoạ trong hình 3.3b, hệ thống ZP-OFDM có công suất phát thấp và câu trúc máy phát đơn giản, Nhưng thật không may, sơ đồ ZP-OFDM, như là tính trực giao giữa các sóng mang con bị phá huỷ khi nhận được nhiều bản sao của dạng sóng biến đổi theo thời gian ZP-OFDM, để loại bỏ ISI, tiềm tố lặp truyền tải được ưa thích sử dụng, các tiền tố lặp là một bản sao chính xác của một bộ phận của ký hiệu OFDM nằm về phía cuối của ký hiệu, hình 3.3c minh hoạ một tín hiệu CP- OFDM điển hình, để tạo ra các tín hiệu CP, một bộ đệm bổ sung là cần thiết trong một máy phát OFDM, trong các phương pháp xử lý sau đây, CP-OFDM được giả định trừ khi có quy định khác.
3.3.2. Sóng mang con rỗng
Để ngăn chặn sự thất thoát đáng kể cho băng tần liền kề nhau, hệ thống OFDM thường không truyền tải bất kỳ dữ liệu nào trên sóng mang con gần hai biên của băng tần được giao, các sóng mang con không được sử dụng này được gọi là sóng mang con bảo vệ hoặc sóng mang con rổng, tập hợp của tất cả các sóng mang con không được sử dụng được gọi là băng tần bảo vệ, khi phổ công suất tín hiệu OFDM có búp sóng phụ cao, thiết lập băng tần giúp làm giảm việc phát ngoài dải băng và do đó dễ dàng giảm bớt các yêu cầu trên bộ lọc ngoại vi của máy phát. Tuy nhiên việc áp dụng một vài khoảng băng bảo vệ không giá trị vào băng thông và làm giảm hiệu quả phổ của hệ thống OFDM, hơn nữa các dải bảo vệ, một vài sóng mang con có tần số xung quanh DC (sóng mang con chỉ số 0) cũng có thể là null để tránh những thành phần tần số DC không mong muốn và thành phần tần số thấp được tạo ra bởi người nhận ngoại vi.
3.3.3. Sự phân chia giải băng.
Tín hiệu truyền thông không dây được quy định bởi mặt nạ phổ, trong đó định nghĩa phổ công suất tín hiệu tối đa trong dải và ngoài dải, hình 3.4 thể hiện
mặt
34
Hình 3.4. Mặt nạ phổ cho tín hiệu LAN trong băng tần U-NII
mặt nạ phổ tín hiệu cho hệ thống mạng LAN không dây theo chuẩn IEEE 802.11a, với mỗi một kênh, được phân bố 20MHz băng thông, thời gian cửa sổ hình chữ nhật của DFT hoạt động và dạng sóng gián đoạn tại ranh giới của ký hiệu OFDM liền kề làm cho phổ của các tín hiệu búp sóng phụ rơi ra chậm hơn so với quy định của mặt nạ phổ, như vậy, cửa sổ dạng sóng mang OFDM ở miền thời gian thường được áp dụng để đạt được một phổ tín hiệu phù hợp với mặt nạ, trong tất cả các cửa sổ phổ biến, cửa sổ raised-cosine là thường được sử dụng, và nó có dạng
( ) =
0.5 + 0.5cos ( + ( + )/( )) − ≤ ≤ (− + )
1 (− + ) ≤ ≤ 0.5 + 0.5cos (( − ) /( )) ≤ ≤ ( + )
(3.4)
Trong đó là độ dài của vùng phổ dốc (roll-off), N và Ng lần lượt là số của mẫu ký hiệu OFDM và số của mẫu khoảng bảo vệ tương ứng, ký hiệu OFDM là chu kỳ mở rộng tại điểm cuối bởi mẫu , và sau đó mở rộng (N+Ng
+ ) dạng sóng ký hiệu mẫu nhân bởi các cửa sổ, biểu tượng tiếp theo trùng lặp với một ký hiệu hiện tại bởi mẫu , như được chỉ ra trong hình 3.5. Chú ý rằng, hiệu quả khoảng bảo vệ được rút ngắn bởi mẫu , nhưng các dạng sóng [(- Ng+ ) , ] vẫn không thay đổi qua các hoạt động của cửa sổ.
TTầầnn ssốố ssóónngg mmaanngg MMHHzz
35
Hình 3.5 Cửa sổ miền thơi gian của tín hiệu OFDM
Hơn nữa trong cửa sổ miền thời gian, bộ lọc thông thấp của tín hiệu băng thông OFDM giúp ngăn chặn quá trình chuyển đổi băng tần và phát thải ngoài dải. Khi đáp ứng xung của bộ lọc này được xoắn lại với tín hiệu OFDM, đáp ứng xung kênh tương đương nhìn thấy bởi người nhận được mở rộng.
3.3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
Tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) được định nghĩa như là tỷ số của công suất đỉnh trên công suất trung bình, nó là một hạn chế cho các hệ thống thông tin liên lạc sử dụng phương pháp điều chế OFDM, công thức PAPR được tính như sau:
=max | ( )|
{| ( )| } (3.5)
Trong đó | ( )| là công suất đường bao tức thời và {| ( )| } là công suất đường bao trung bình.
Trong trường hợp đặc biệt, khi tất cả các sóng mang con được cộng cùng pha, tín hiệu OFDM trong miền thời gian có thể có tỷ số PAPR bằng N. Ví dụ, PAPR của hệ thống OFDM 256 sóng mang con có thể cao bằng 256, hoặc tương ứng với 24dB.
Với tỷ số PAPR cao thì đòi hỏi một rung động cao trong bộ khuếch đại kế tiếp, đặc biệt là các bộ khuếch đại công suất trong thiết bị phát, nếu bị chệch không chính xác, PA sẽ dễ dàng đi vào bảo hoà, gây ra sự khuếch đại các tín
36
Hình 3.6 Điểm đầu ra chờ truyền của bộ khuếch đại công suất
hiệu phi tuyến của tín hiệu giá trị lớn, để thích nghi như là tín hiệu tuyến tính vùng động lớn, PA phải làm việc tại một điểm hoạt động, đó là một hiệu quả tốt về điện năng tiêu thụ. Cụ thể, một đầu ra chờ truyền lớn (OBO), hiển thị trong hình 3.6 phải được thực hiện. Đầu ra chờ truyền được định nghĩa như là đầu ra bảo hoà trên công suất đầu ra trung bình của môt PA
= 10 ,
,
( )
(3.6)
Để giảm PAPR, nhiều phương pháp đã được đề xuất, Sự cắt xén và sự phân chia cửa sổ đỉnh tín hiệu cao vượt quá một số ngưỡng là một trong những giải pháp khả thi. Tuy nhiên họ có thể giới thiệu biến dạng bức xạ trong dải và ngoài dải, một số đề nghị sử dụng kỹ thuật mã hoá, tuỳ thuộc vào các dữ liệu đầu vào, các tín hiệu điều chế trên tất cả các sóng mang con được lựa chọn từ một tập hợp của từ mã tương ứng với dạng sóng với một PAPR thấp, hạn chế của các kỹ thuật mã hoá là chi phí trong hiệu quả truyền tải. Sự sáo trộn mã cũng có thể được áp dụng để phá huỷ tín hiệu đều đặn, những tín hiệu có thể phải chịu một PAPR cao. Trong một số phương pháp khác, các tín hiệu truyền được điều chỉnh một cách cẩn thận bằng cách tối ưu hoá lồi để giảm thiểu PAPR dưới sự ràng buộc của lỗi chòm sao cho phép và năng lượng ngoài băng tần.