Đổng bộ là m ột vấn đề chung cho các hệ thống thông tin. Các tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu sẽ bị biến đổi CỈO các thành phần như: thành phần cao tần RF, kênh, nhiễu... Tại nơi thu cần phải tiến hành đồng bộ để xác định chính xác các thông số của tín hiệu như: tần số sóng mang, chu kỳ ký hiệu... để khôi phục lạ i đúng thông tin đã phát đi.
Trong quá trình thu phát, quá trình đồng bộ có thể bị lỗi do các nguyên nhân sau:
3.1.1. Lỗi đồng bộ ký hiệu
Tại nơi thu, máy thu không những phải biết tần số lấy mẫu của các bộ lọc hoà hợp (matched filte r), mà nó còn phải biết thời điểm lấy mẫu trong mỗi khoảng thời gian ký hiệu. L ỗ i đồng bộ ký hiệu xuất hiện khi xác định sai điểm biên của từng ký hiệu. Nếu lỗ i này lớn, nghĩa là độ dịch điểm định thời lớn hơn so với khoảng thời gian bảo vệ CP của hộ thống thi sẽ xảy ra nhiỗu xuyên ký hiệu ISI. Không những thế, sau khi lấy FFT, nhiễu xuyên kênh IC I cũng có thể xảy ra do tính trực giao giữa các sóng mang con không còn.
Tuy nhiên nếu độ dịch điểm định thời nhỏ hơn so với khoảng thời gian bảo vệ CP của hệ thống thì sẽ không gây ra hiện tượng ISI hay IC I làm ảnh hưởng đến hệ thống. V ì vậy, khi thiết kế các hệ thống thông tin người ta phải xác định CP một cách cẩn thận sao cho trong hầu hết các trường hợp đường biên không lấn sang k ý hiệu kề bên. K h i đó sẽ không có ISI và IC I, nhưng vẫn có thể xảy ra sự quay pha của sóng mang con trong miền tần số.
3.1.2. Lỗi tạp âm pha và lổ 3.1.2. Lối tạp âm pha và lỗi quay pha sóng mang
- L ỗ i tạp âm pha xả' - L ỗ i tạp âm pha xảy ra do chính bởi các dao đội động tạo sóng mang. Trên động tạo sóng mang. Trên thực tế, tần số fi của sóng n không thể có độ ổn định tu không thể có độ ổn định tuyệt đối mà nó có một độ dao trị dao động này đã gây ra trị dao động này đã gây ra một lượng sai pha ỡ(t) = 2ni
tập âm pha (với ts là điểrr tập âm pha (với ts là điểm định thời ứng với điểm bắt O FD M ; T là chu kỳ ký hiệi O FD M ; T là chu kỳ ký hiệu; ts < t < ts + T).
O FD M là hộ sử dụn£ O FD M là hệ sử dụng nhiều sóng mang con nên nc các thành phần tạp âm ph các thành phần tạp âm pha này. K h i có sự sai pha gây m ỗi ký hiệu O FD M sẽ dẫn m ỗi ký hiệu O F D M sẽ dẫn đến sự thay đổi trong giản đ hiệu O FD M tới đầu thu và hiệu O FDM tới đầu thu và làm xuất hiện IC I sau khi ti chế dùng bộ biến đổi FFT, chế dùng bộ biến đổi FFT, gây tác động đến chất lượng ( Hiện tưọng tạp âm Hiện tưọng tạp âm pha đã được nghiên cứu nh lượng đặc trưng qui định Cí lượng đặc trưng qui định các tính chất của nó. Theo các tạp âm pha của các bộ dao tạp âm pha của các bộ dao động có phổ mật độ công suấ
Phổ này được biểu d Phổ này được biểu diễn như sau:
SJ S i n -p ư ) 1 + / í / / ( !
Trong đó: f| là gía ti Trong đó: f| là gía trị tần số biên của dải tần mà I công suất bị suy giảm là 3 công suất bị suy giảm là 3 dB.
Độ suy giảm gây ra I Độ suy giảm gây ra do hiện tuợng IC I gây nên tro
S A S N R = — Aĩ ĩ ŨT
61410 N 0
Với: |3 là giá trị tần Với: [3 là giá trị tần số biên của dải tần mà tại đó suất sóng mang bị suy giả suất sóng mang b ị suy giảm đi 3dB. Để có thể đạt đượ< SNR dưới tác động của IC SNR dưới tác động của IC I trong trường hợp này là nhc của p phải nằm trong khoả của p phải nằm trong khoảng: |3 = 0,1% (1/T) 4- 0,01%(1
- Ngoài lỗ i tạp âm pha, sóng mang còn xuất hiện lỗ i quay pha do tác động của lỗ i đồng bộ ký hiệu.
Thật vậy, biểu diễn của ký hiệu O FD M sau điều chế được mô tả như sau:
Tại nơi thu do có lỗ i định thời xảy ra nên xuất hiện một độ dịch At với tr = ts + At, do vậy, ký hiệu O FD M sau khi được lấy mẫu để thực hiện giải điều chế tại nơi thu sẽ trở thành:
Như vạy từ công thức (3.4) có sự quay pha trong các ký hiệu O FD M tại nơi thu là: ỡ(t) = 2rfiAt
V í dụ, tương ứng với tín hiệu O FD M 48 sóng mang con, độ dịch điểm định thời fiA t = A t/T = 1/16 thì sự quay pha giữa các sóng mang trong các ký hiệu QPSK thu được sau khi giải điều chế là: 27t/16
Độ quay pha này phải được tính toán và phải được bù bằng cách ước lượng kênh để đảm bảo chất lượng của hệ thống.
3.1.3. Lỗi tần sô lấy mẫu
L ỗ i xảy ra khi tần số lấy mẫu không hoà hợp, do có sự khác nhau giữa đồng bộ nơi phát và nơi thu. Ảnh hưởng của nó làm tăng lỗ i về pha và sự suy hao biên độ tín hiệu. Để thực hiện đồng bộ tần số lấy mẫu thì tại bộ đồng bộ nơi thu phải xác định được độ sai lệch về tần số lấy mẫu của các ký hiệu O F D M tại nơi thu so với tần số lẫy mẫu chuẩn ở nơi phát, để từ đó có sự điều chỉnh cho đúng đắn. ts < t. < ts + T f = \ / T (3.3) /=0 AM r(t) = s'(t) = Y j sieJ 2 í f i ( t - l s ) - j 2 ỉ f i ầ t (3.4)
N hìn chung, tác động của lỗi này lcn hệ O FD M là nhỏ và hệ thống có thể điều chỉnh được [2]. Điều khó và quan trọng hơn là việc đồng bộ tần số sóng mang cho hệ O FD M .
3.1.4. Lỗi dịch tần s ố sóng mang (CFO)
3.1.4.1. Nguyên nhân gây ra lối dich tần sô'sóng mang
Có hai nguyên nhân chính gây ra lỗ i CFO, đó là:
- Trên thực tế, tần số được tạo ra bởi các bộ dao động trung tần IF hay cao tần RF tại nơi phát và nơi thu thường là không giống nhau một cách lý tưởng mà giữa chúng bao giờ cũng tồn tại một độ sai lệch tần số sóng mang. K hi có sự sai khác tần số giữa các dao động nội trong máy phái và máy ihu thì sự dịch tần sóng mang sẽ xảy ra.
- Ngoài ra, hiệu ứng dịch tần Dopler và sự phi tuyến của kcnh truyền cũng là các tác nhân gây ra độ dịch tần số sóng mang A f giữa nơi phát và nơi thu. Ở đây, A f = f thu - f hát và được gọi là độ dịch tần số sóng mang. L ỗ i gây ra bởi độ dịch tần À f được gọi là lỗ i dịch tần số sóng mang (CFO).
3.1.4.2. Tác động đối với hệ thống
Có hai tác động không mong muốn do lỗ i CFO gây ra:
- Làm giảm biên độ tín hiệu ở đầu ra của bộ lọc lương ứng với m ỗi sóng mang. K h i sóng mang con bị dịch đi, biên độ tín hiệu bị giảm so điểm lấy mẫu không còn ở đỉnh của hàm sinc nữa.
- Tạo ra nhiễu xuyên sóng mang IC I
L ỗ i tần số sóng mang tác động lên hệ thống O F D M đã gây ra hiện tượng quay pha sóng mang trong các ký hiệu O F D M và gây ra hiện tượng IC I rất nghiêm trọng, và hiện tượng IC I gây ra bởi CFO là hiện tượng gây ra sự suy giảm và tác động lớn nhất lên hệ thống O F D M so với các ảnh hưởng khác.
Bởi vậy, m ột trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu là làm sao giảm thiểu được ảnh hưởng của IC I xảy ra trong trường hợp này.
Theo cồng thức tín hiệu O FD M được phát trên kênh vô tuyến sau khi điều chế bởi sóng mang cao tần số f tx có:
y ự ) = s { t ) e j 2 n f u t (3 .5 )
Trước k h i thực hiện giải điều chế FFT, tại nơi thu có sự chuyển đổi tín hiệu thu được y(t) về tín hiệu băng gốc phức. Bởi vậy, tín hiệu thu sẽ là:
r ( t ) - s ( t ) e j2ĩĩ'ftx t .e~j l n 'frx t (3.6) do có sự dịch tần xảy ra nên: f tx * f rx
gọi A f = f tx - f rx suy ra:
r ( t ) = s { t ) e j l n A f t * s ( t) (3.7)
Như vậy, đại lượng 9(t) = 2ĩũAf.t này đã dẫn đến sự quay pha nghiêm trọng, trong giản đồ chòm sao các điểm sao bị trải ra.
M ặt khác, chính độ dịch tần số nêu trên cũng đã gây ra sự dịch phổ của tín hiệu thu được trong miền tần số, làm cho tốc độ lỗ i b it tăng cao.
Trong trường hợp độ dịch tần không phải là một số nguyên lần của khoảng cách giữa các sóng mang thì sự trực giao giữa các sóng mang con không còn nữa. Điều này đã dãn đến ảnh hưởng của IC I lèn hệ thống, làm suy giảm chất lượng của hệ thống.
Bảng 3.1: Độ suy giảm SNR trong một số trường hợp [3]
Nguyên nhân Độ suy giảm SNR (dB)
Dịch tần số sóng mang 8 kênh nhiễu cộng A W G N
n 10 /•;,
~ •>3 1 in '1 - ) 111 10 ^ ' A oV
Dịch tần số sóng mang 8 trong kênh fading
( 1 - Ị-11. • 1!:) ■ 1 1 V * >111“ TT J \
0 < 1 0 IO B .P ( - ’S . )
Tạp âm pha do dao động
nội, dải tần ß ° « f lln iu ( 4 7 ĩ / j ) AÔ D ịch tần số lấy mẫu A fs
Ũ ịi 1 0 lo g 10 ^1 -Ị- \ ^ \ L í
3.1.4.3. Các tliuật toán ước lượng độ dịch tần s ố
Các thuật toán ước lượng độ dịch tần số được chia thành ba loại chính: - Loại 1, các thuật toán Data-aided: dựa trôn việc phân tích các khối đồng bộ đặc biệt được thêm vào. Cụ thể hơn, đó là các thông tin huấn luyện hay các ký hiệu dẫn đường đặc biệt... được chèn vào các tín hiệu truyền dãn.
- Loại 2, các thuật loán Nonđata-aided: dựa trên việc phân tích dữ liệu nhận được tại lố i ra của bộ FFT. Hay nói m ột cách khác, là dựa vào việc phân tích các tín hiệu nhận được trong miền tần số.
- Loại 3, các thuật toán dựa trên tiền tố lặp CP: là việc phân tích tín hiệu mẫu nhận được trước khi thực hiện FFT, dựa vào chính cấu trúc của ký hiệu O F D M có sử dụng tiền tố lặp CP.
Trong ba loại trên, loại 1 rất thích hợp cho các ứng dụng mạng W L A N . Loại 2 và 3 đặc biệt phù hợp trong kiểu truyền dẫn quảng bá, thông tin vô tuyến di động...
3.2. Các kỹ thuật đồng bộ
Các thông số để đồng bộ có nhiều tên gọi như: tiền tố lặp (CP), ký hiệu dẫn đường (hoa tiêu), sóng mang con dẫn đường... Các thông số này được ước lượng dựa trên các tiêu chuẩn gần giống nhất (M L ) hoặc xác suất hậu nghiệm cực đại (M A P ). Để thực hiện các tiêu chuẩn M L /M A P , người ta dùng tự tương quan và tương quan chéo để xác định quan hệ giữa tín hiệu thu và mẫu đã biết.
K ỹ thuật để thực hiện đồng bộ tần số sóng mang cho hệ O FD M phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tuỳ thuộc vào cấu trúc của từng hệ thống, của mỗi điều kiện truyền dẫn và của lừng đặc điểm xử lý tín hiệu khác nhau mà lựa chọn các thuật toán khác nhau. Tuy nhiên, có một tiêu chí cho việc lựa chọn thuật toán đồng bộ là: thuật toán được sử dụng phải đảm bảo được hiệu quả, độ chính xác và giảm được độ phức tạp trong tính toán càng nhiều càng tốt.
Nói chung ta có thể chia thành hai loại kỹ thuật đồng bộ dùng cho hệ O FD M là:
- K ỹ thuật đồng bộ sử dụng tiền tố lặp CP
- K ỹ thuật đồng bộ sử dụng các ký hiệu đặc biệt
Trong m ỗi loại kỹ thuật trên lại được Ihực hiện theo các thuật loán khác nhau, cách thức đánh giá và ước lượng khác nhau. Bởi đây là m ột vấn đề hiện đang dược quan tâm rất rộng rãi.
3.2.1. K ỹ thuật đồng bộ sử dụng tiền tố lặp CP
OFDM
Hình 3.1 Đồng bộ sử dụng tiền t ố lặp CP [4]
Quá trình đồng bộ tiến hành ngay trcn các ký hiệu O FD M thu được trước khi loại bỏ tiền tố lặp CP. Bộ trễ T làm trễ ký hiệu O FD M m ột khoảng thời gian T đúng bằng chu kỳ của ký hiệu O FD M . Sau đó ta lấy liên hợp phức của thành phần trễ này để tạo thành sH(t) và thực hiện giám sát hàm tương quan m (t) thu dược giữa s(t) và sH(t) trong thời gian đúng bàng thời gian kéo dài của mổt tiền tố lặp CP (xem minh hoạ T G trong hình 2.5).
Ta
m(t) = - t ) s H ( t - T - T)dT 0
Do tiền tố lặp CP có tính chất đặc biệt được tạo ra từ chính bản sao chép các mẫu cuối của ký hiệu O FD M nên hàm lương quan m (t) thu được trong khoảng thời gian T c> sẽ có một đỉnh cực đại duy nhất tại một thời điểm d0 nào đó ứng với m ỗi ký hiệu O FD M được truyền đi. Do vậy sẽ xác định được điểm định thời d0 cho m ỗi ký hiệu O FD M .
Sử dụng hàm tương quan m (t) trcn để xác định điểm định thời đạt hiệu quả khá tốt. Mặc dù công suất trung bình trong khoảng thời gian T của m ỗi ký hiệu là không đổi nhưng công suất trong khoảng thời gian bảo vệ TG về cơ bản là có thay đổi so với mức công suất trung bình. M ặt khác, còn là do lương quan chênh lệch các búp sóng cạnh giữa các đỉnh tương quan chính. Các búp
sóng cạnh thể hiện sự tương quan giữa một phần hoặc toàn bộ hai ký hiệu O FD M khác nhau. V ì các ký hiệu O FD M khác nhau mang giá trị dữ liệu khác nhau nên đáu ra bộ tương quan là một biến ngẫu nhiên. Độ lệch chuẩn của biên độ lương quan ngẫu nhiên có liên quan đến số mẫu độc lập mà phép tính tương quan thực hiện trên đó. Số mẫu càng lớn thì độ lệch chuẩn càng nhỏ, vì số mẫu tỷ lệ với số sóng mang con nên kỹ thuật này đạt hiệu quả tốt nhất khi hệ thống sử dụng khoảng hơn 100 sóng mang con [4].
Cấu trúc đồng bộ ở hình 3.1 cũng đồng thời là cấu trúc Ihực hiện việc đổng bộ tần số sóng mang. Đổng bộ tần số sóng mang được thực hiện sau khi đã íhực hiện được đồng bộ điểm định thời để có thể loại trừ đi ảnh hưởng của sự quay pha gây ra do lỗ i định thời.
Pha của tín hiệu thu được tại điểm định thời tố i ưu của hàm tương quan có m ối quan hệ tỉ lệ 1:1 với độ dịch tần số sóng mang. Như vậy, nếu có một bộ ước lượng pha tối un đặt tại nơi thu thì ta sẽ có thể xác định được lỗ i dịch tần số gây ra cho hệ thống. Đồng bộ tần số sóng mang bây giờ chỉ đơn giản là thực hiện phép bù trừ cho độ dịch sóng mang nhận được để tránh quay pha do dịch tần, loại bỏ ảnh hưởng của l ơ .
Hình 3.2 chỉ ra ảnh hưởng của các yếu tố tác động (tạm gọi tắt là nhiễu) làm sai góc pha của tín hiệu nhận được. Độ sai pha ký hiệu là 0, giả sử bicn độ tín hiệu phát là 1 và biên độ véctơ nhiễu là a, theo công thức lượng ta có:
X = 1 + a c o s ọ
y = a ú n c p
Thay vào biểu thức ỡ = tan' V có:
0 = tan' as\W(p
1 + ơcos<£>
Theo giả thiết biên độ tín hiệu phát là 1 nên a = 1/SNR
(3.8) 0 - tan-1 SNR sin (Ọ 1 + í 1 ì [ s N R j cos (p 6 - tan' sin<p SNR + cos (Ọ Độ dịch tần số tương ứng là: A / = — = 2 ĩĩT 2 kT sin (Ọ (3.9)
3.2.2. K ỹ thuật đồng bộ sử dụng các ký hiệu huấn luyện đặc biệt
Trong trường hợp thông tin được truyền đi dưới dạng các gói tin (packet) với tốc độ cao và đòi hỏi thời gian thực hiện đồng bộ rất ngắn thì thường sử
dụng các ký hiệu huấn luyện đặc biệt. Nghĩa là hệ thống phải chấp nhận đành riêng một số ký hiệu đặc biệt được truyền đi kèm với các gói dữ liệu để chuyên dùng cho mục đích đồng bộ tại nơi thu cho dù điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tin. Bởi vậy các ký hiệu đặc biệt này thường được gọi là ký hiệu đặc biệt hay ký hiệu dãn đường (pilot).
Những ký hiệu đặc biệt này thường được tạo ra từ dãy tín hiệu giả ngẫu nhiên (PN) bậc cao để lợi dụng tính chất tương quan và tự tương quan thấp của