Kỹ thuật điều chế này là phƣơng thức điều chế khóa dịch biên độ và khóa dịch pha. Thực hiện điều chế biên độ nhiều mức hai sóng mang mà hai sóng mang này đƣợc làm dịch pha đi một góc 900, nhƣ vậy một sóng sẽ là sinot. Số trạng thái
Bộ biến đổi nối tiếp - song song
dQ(t) ST(t) Tín hiệu QPSK P 2 Cos0t d(t) dI(t) Bộ chuyển đổi nối tiếp song song
trong phƣơng pháp điều chế này là M = L2 (với L là số mức biên độ của mỗi sóng mang vuông góc). Tín hiệu tổng của hai sóng mang này vừa có dạng điều biên vừa có dạng điều pha. Nếu hai sóng mang đó có dạng :
S1(t) = A1(t) sin 0(t)1(t) S2(t) = A2(t) sin 0(t)2(t) Thì tín hiệu tổng S(t) có dạng: S(t) = A(t) sin 0(t)(t)
Với A(t) A12(t)A22(t) (t)arctg S1(t) / S2(t)
Nhƣ vậy tín hiệu tổng S(t) vừa có biên độ vừa có góc pha biến đổi theo thời gian nên chính là sóng vừa điều biên vừa điều pha.
3.3.2.Các phƣơng pháp điều chế đa sóng mang
3.3.2.1. Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDM
OFDM (Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một phƣơng pháp điều chế đa sóng mang điển hình. Kỹ thuật này đƣợc thực hiện bằng cách chia dòng số liệu truyền đi thành N các dòng số liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm và truyền chúng trên các sóng mang riêng biệt. Các sóng mang này đƣợc điều chế trực giao bằng cách chọn tần số cách quãng thích hợp giữa chúng. Do vậy đƣợc phép chồng phổ giữa các sóng mang vì tính trực giao đảm bảo thiết bị nhận có thể phân biệt các sóng mang con OFDM và còn cho phép đạt hiệu quả sử dụng phổ tốt. Hình 3.5, 3.6 và 3.7 mô tả tính trực giao và cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM.
Hình 3.6: OFDM với 256 sóng mang
Hình 3.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống OFDM
Trong phƣơng pháp này dạng tín hiệu thông thấp OFDM chung nhất có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau :
n N k s k k n t nT t s c g 1 0 , ) ( Với : 0 , 0 ) ( 2 s t j k T t f t e g k s k T k f f 0 k = 0…(N-1) Trong đó :
Cn,k là ký tự truyền dẫn trên sóng mang con thứ k trong khoảng báo hiệu thứ n, xác định trong chu kỳ Ts
fk là tần số sóng mang con thứ k, và f0 là tấn số thấp nhất đƣợc sử dụng.
Để có một hệ thống OFDM thực tế phải cần một số lƣợng rất lớn các khối điều chế giống hệt nhau. Để khắc phục nhƣợc điểm này ta có thể thực hiện qua việc xử lý các tín hiệu rời rạc IFFT và sử dụng các thuộc tính của biến đổi rời rạc Fourier. Với việc lấy mẫu tín hiệu tƣơng đƣơng thông thấp của tín hiệu OFDM với tốc độ nhanh hơn N lần so với tốc độ sóng mang ký tự 1/Ts.
Ƣu điểm của phƣơng pháp điều chế OFDM:
Hiệu quả sử dụng phổ cao có sự cho phép chồng phổ.
Phƣơng pháp này có khả năng chịu đựng tốt hơn đối với tần số pha đinh lựa chọn so với hệ thống sử dụng sóng mang đơn.
Loại bỏ đƣợc ký tự nhiễu trung gian ISI và khung nhiễu trung gian IFI qua việc sử dụng phần mào đầu tuần hoàn.
Có thể khôi phục ký tự bị mất do lựa chọn tần số của kênh thông qua việc sử dụng mã hóa kênh thích hợp với một khoảng xen kẽ.
Phƣơng pháp này đƣợc tính toán hiệu quả sử dụng kỹ thuật FFT để thực hiện việc điều chế và giải điều chế.
Hệ thống OFDM ít nhạy cảm với phần bù thời gian mẫu hơn các hệ thống sóng mang đơn.
Có khả năng chống nhiễu tốt đối với nhiễu xuyên kênh và xung nhiễu ký sinh
Nhƣợc điểm:
- Tín hiệu OFDM có nhiễu với biên độ có dải rộng rất lớn, vì vậy yêu cầu các bộ khuyếch đại công suất RF với tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình lớn. - Tín hiệu này cũng nhạy cảm hơn với phần bù tần số và trôi tần số sóng mang so với các hệ thống sóng mang đơn vì đây chính là nhƣợc điểm của của kỹ thuật FFT.
OFDM trở nên quan trọng đối với các hệ FBWA, đặc biệt là các hệ điểm - đa điểm không nằm trong tầm nhìn thẳng. Các chuẩn LAN không dây mới đã sử dụng OFDM với 64 sóng mang con và đối với các hệ FBWA chuẩn IEEE 802.16a xác định lớp vật lý OFDM với 256 sóng mang con. Công nghệ OFDM cũng đã được đề xuất là công nghệ cho các hệ thống di động thế hệ mới.
3.3.2.2. Điều chế đa sóng mang sử dụng OFDMA [5]
Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con đƣợc gán tới những ngƣời dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể đƣợc gán cho ngƣời dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho ngƣời dùng 2. Những nhóm sóng mang con này đƣợc xem nhƣ các kênh con. OFDMA mở rộng đƣợc cho phép các kích thƣớc FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lƣợng đối với các kênh dải thông thấp hơn.
Hình 3.8: Các kênh con trong OFDMA (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để giảm bớt fading lựa chọn tần số, các sóng mang của một trong các kênh con đƣợc trải rộng theo phổ kênh. Hình 3.8 mô tả nguyên lý của sự phân chia thành các kênh con. Khoảng sóng mang có thể dùng đƣợc đƣợc phân thành một số nhóm liên tiếp. Mỗi nhóm chứa một số các sóng mang liên tiếp NE, sau đó loại trừ các kênh con pilot đƣợc gán ban đầu. Một kênh con có một thành phần từ mỗi nhóm đƣợc định vị qua một quá trình giả ngẫu nhiên dựa vào sự hoán vị, vì vậy NG là số thành phần kênh con. Với N = 2048, đƣờng xuống NG = 48 và NE =32, đƣờng lên NG = 53 và NE =32.
Về bản chất, nguyên lý OFDMA bao gồm một số ngƣời dùng khác nhau chia sẻ khoảng FFT đƣờng lên, trong khi mỗi ngƣời dùng truyền một hoặc hơn các kênh con.
3.3.2.3. Điều chế đa sóng mang sử dụng Scalable OFDMA (SOFDMA)[10]
S-OFDMA thêm chia tỷ lệ vào trong OFDMA. Nó chia kích thƣớc FFT thành độ rộng kênh trong khi giữ nguyên khoảng cách tần số sóng mang con thông qua độ rộng kênh khác nhau. Kích thƣớc FFT nhỏ hơn đƣợc sử dụng cho kênh có độ rộng nhỏ hơn, trong khi kích thƣớc FFT lớn hơn sử dụng cho kênh có độ rộng lớn hơn. Bằng cách giữ nguyên khoảng cách tần số sóng mang con, SOFDMA làm giảm sự phức tạp của hệ thống đối với những kênh nhỏ hơn và cải thiện tính năng đối với những kênh lớn.
Nhƣ nói ở trên, IFFT đƣợc sử dụng trong phía phát WiMax để tạo dạng sóng OFDM từ dòng dữ liệu đã điều chế, trong khi FFT đƣợc sử dụng trong phía thu WiMax để giải điều chế dòng dữ liệu. Kích thƣớc FFT bằng với số sóng mang con. Ví dụ: Trong hệ thống OFDM/OFDMA với sóng mang con là 256 thì kích thƣớc FFT là 256.
SOFDMA là chế độ OFDMA sử dụng trong Mobile WiMAX. Nó hỗ trợ độ rộng kênh từ 1,25 MHz đến 20 MHz. Với độ rộng thay đổi, công nghệ Mobile WiMAX có thể đáp ứng với nhiều dạng tần số khác nhau trên thế giới và thay đổi địa chỉ nhà khai thác hoặc các yêu cầu ISP một cách linh hoạt.
3.3.3. Các phƣơng pháp mã hoá
Mã hoá đƣợc sử dụng để thêm các dữ liệu thừa trong tín hiệu truyền để cho phép phát hiện lỗi khi nhận dữ liệu. Phát hiện lỗi có thể đƣợc sửa ở phía thu bằng cách sử dụng FEC, hoặc khối dữ liệu có thể đƣợc yêu cầu truyền lại bằng cách sử dụng cơ chế yêu cầu truyền lại tự động (ARQ). FEC thƣờng hay đƣợc sử dụng hơn ARQ vì việc truyền lại sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống và gây ra trễ nên không thích hợp với các ứng dụng thời gian thực nhƣ đàm thoại tiếng hay hình.
Các phƣơng pháp mã hoá thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ FBWA là mã khối, mã vòng, và mã space-time. Mã khối và mã vòng thêm các bit dƣ thừa vào sau các chuỗi bit thông tin.
Trong mã khối, một khối gốm k symbol dữ liệu đƣợc mã hoá thành một khối gồm n symbol mã. Mã này thƣờng đƣợc xem nhƣ là mã (n,k), và tần số mã đƣợc
cho bởi tỷ số k/n. Mã vòng cũng có thể đƣợc mô tả tƣơng tự. Chúng khác với mã khối ở chỗ mã đầu ra là một hàm của không chỉ khối k symbol hiện tại mà còn của các symbol trƣớc nữa.
Space-time codes (STCs) sử dụng các hồi đáp kênh không tƣơng quan với nhau tồn tại khi sử dụng nhiều anten thu và phát. Chúng đƣợc đƣợc sử dụng cùng với các hệ anten nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (multiple-input, multiple-output (MIMO) antenna), và sử dụng cả thời gian và không gian để gửi thông tin dƣ thừa tới ngƣời nhận. Trong các hệ FBWA, OFDM, các hệ anten MIMO và các STC đƣợc xem là có thể đƣợc sử dụng để cung cấp dịch vụ không nằm trong tầm nhìn thẳng.
3.4. ĐA TRUY NHẬP VÀ SONG CÔNG [24]
Trong các hệ thống đa truy nhập vô tuyến, tất cả các đầu cuối cùng chia sẻ phƣơng tiện truyền dẫn. Để tránh nhiễu và truyền dẫn chồng chéo cần phải có sự điều khiển sự truy nhập vào phƣơng tiện truyền. Các phƣơng pháp đa truy nhập và song công đƣợc dùng để cho phép nhiều ngƣời dùng cùng chia sẻ đồng thời một số dải sóng hữu hạn .
3.4.1. Các phƣơng pháp song công
Trong các hệ thống điểm - đa điểm, hiện nay tồn tại 2 kỹ thuật song công (hoạt động theo 2 chiều: chiều xuống - downstream và chiều lên - upstream):
Chia theo tần số (Frequency Division Duplexing FDD): Kỹ thuật này chia dải tần số sử dụng ra làm 2 kênh riêng biệt, một kênh cho chiều xuống và một kênh cho chiều lên.
Chia theo thời gian (Time Division Duplexing - TDD ): Kỹ thuật này mới hơn, cho phép lƣu lƣợng thông theo 2 chiều trong cùng một kênh, nhƣng tại các khe thời gian khác nhau.
Việc lựa chọn phƣơng pháp song công thƣờng độc lập với việc đa truy nhập và các phƣơng pháp điều chế. Lựa chọn kỹ thuật nào, FDD hay TDD, phụ thuộc vào mục đích sử dụng chính của hệ thống: ứng dụng đối xứng (thoại - voice) hoặc không đối xứng (dữ liệu - data). Kỹ thuật FDD sử dụng băng thông không hiệu quả
đối với các ứng dụng dữ liệu. Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật FDD, băng thông cho mỗi chiều đƣợc phân chia cố định.
Đối với kỹ thuật TDD, số lƣợng khe thời gian cho mỗi chiều thay đổi thƣờng xuyên. Khi lƣu lƣợng chiều lên nhiều, số lƣợng khe thời gian dành cho chiều lên sẽ đƣợc tăng lên, và ngƣợc lại. Với sự giám sát số lƣợng khe thời gian cho mỗi chiều, hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD hỗ trợ cho sự bùng nổ thông lƣợng truyền dẫn đối với cả 2 chiều.
Nhƣợc điểm chủ yếu của kỹ thuật TDD là việc thay đổi chiều của lƣu lƣợng tốn thời gian, việc cấp phát khe thời gian là vấn đề phức tạp cho hệ thống phần mềm. Hơn nữa, kỹ thuật TDD yêu cầu sự chính xác về thời gian. Tất cả các máy trạm trong khu vực của một hệ thống sử dụng kỹ thuật TDD cần có một điểm thời gian tham khảo để xác định chính xác các khe thời gian. Điều này giới hạn phạm vi bao phủ đối với các hệ thống điểm - đa điểm.
3.4.2. Các phƣơng pháp đa truy nhập
Các phƣơng pháp đa truy nhập đƣợc sử dụng để tách rời ngƣời sử dụng với nhau trong một kênh truyền. Các phƣơng pháp đa truy nhập phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong các hệ FBWA bao gồm đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), và đa truy nhập nhạy cảm sóng mang (CSMA).
3.5. KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
Khi tài nguyên vô tuyến ngày càng trở nên cạn kiệt, ngƣời ta bắt đầu phải áp dụng kỹ thuật trải phổ nhằm nâng cao hiệu năng sử dụng tần số. Có hai kỹ thuật trải phổ thông dụng nhất hiện nay là FHSS và DSSS.
3.5.1. Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS
Các hệ thống DSSS mang lại truyền dẫn tin cậy với các tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tƣơng đối nhỏ. Bản chất của DSSS là thực hiện trải năng lƣợng tín hiệu trên một
dải tần rộng. Năng lƣợng trên một đơn vị xung giảm xuống. Do đó nhiễu do hệ thống DSSS tạo ra nhỏ hơn rất nhiều so với các hệ thống băng hẹp. Nhờ vậy cho phép các tín hiệu DSSS phân chia cùng một băng tần. Đối với một bộ thu bất kỳ, các tín hiệu DSSS xuất hiện nhƣ là nhiễu băng rộng công suất thấp và đƣợc loại bỏ nhờ các bộ thu băng hẹp. Gi¶i tr¶i phæ DSSS lµm gi¶m nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu gi¶i tr¶i phæ DSSS TÝn hiÖu nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu tr¶i phæ chuçi trùc tiÕp truyÒn dÉn chuçi trùc tiÕp Cã nhiÔu C«ng suÊt TÇn sè TÝn hiÖu DSSS TÝn hiÖu nhiÔu
Hình 3.9: Trải phổ chuỗi trực tiếp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mỗi bít số liệu đƣợc chuyển đổi (ánh xạ - mapping) với một mẫu chung mà chỉ có máy phát và máy thu đã định hƣớng biết trƣớc đƣợc. Mẫu bít này đƣợc gọi là mã giả tạp âm (pseudo-noise ) và mỗi bít trong mã đƣợc gọi là một bộ chip. Thứ tự của các chip trong một chu kỳ bít là ngẫu nhiên nhƣng trình tự giống nhau đƣợc lặp đi lặp lại, nhƣ vậy tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên từng phần. Tốc độ chip của mã giả tạp âm n bit là lớn hơn n lần tốc độ số liệu. Tốc độ cao nhƣ vậy gây ra băng thông rất rộng.
Tại bộ thu các chip đƣợc giải trải phổ bởi cùng một mã giả tạp âm và chuyển đổi ngƣợc trở lại thành các bit số liệu gốc. Tuy nhiên trong quá trình truyền dẫn năng lƣợng của nhiễu và giao thoa có thể bị cộng thêm vào, năng lƣợng này bị loại
bỏ bởi mã giả tạp âm. Ngoài việc biết mã giả tạp âm trong máy phát, bộ thu cũng phải đồng bộ với pha của mã cũng nhƣ của tốc độ chíp. Nhƣ vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã cũng nhƣ tốc độ của chíp. Nhƣ vậy chức năng đặt ra cơ chế định thời trong tiêu đề của một gói DSSS để cho phép máy thu đồng bộ pha đúng của mã giả nhiễu trong thời gian ngắn nhất. Vì quá trình truyền gói không đồng bộ nên mọi gói DSSS phải có một tiêu đề đồng bộ.
Phƣơng pháp DSSS dùng trong WiMAX khác với đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Phân chia mã liên quan tới các truyền dẫn với các mã giả tạp âm trực giao và các truyền dẫn này có thể chồng lấn lên nhau nhƣng không ảnh hƣởng tới nhau. Các nút khác nhau phát đi bằng mã riêng. Mỗi bộ thu phù hợp với mã của một kênh truyền, các tín hiệu khác (dùng mã khác) xuất hiện nhƣ là nhiễu nền. Trong quá trình giải trải phổ (despread) nhiễu này sẽ bị loại bỏ. Một hệ thống CDMA truy nhập ngẫu nhiên yêu cầu các máy thu phức tạp sao cho các máy thu này có thể đồng bộ và giải điều chế tất cả các mã giả ngẫu nhiên. Các WiMAX DSSS sử dụng cùng một mã giả ngẫu nhiên và do đó không có tập hợp mã khả dụng nhƣ đối với CDMA. Một mã duy nhất cho phép thông tin quảng bá dễ dàng.
Trải phổ chuỗi trực tiếp cho thông lƣợng cao hơn và chống đƣợc can nhiễu tốt hơn so với trải phổ nhảy tần. Nhƣng DSSS lại tiêu tốn nhiều năng lƣợng gấp hai đến ba lần nên tốn kém hơn. Các nhà sản xuất giải pháp cho mạng WiMAX tách thành hai xu hƣớng khác nhau là sử dụng DSSS hoặc FSSS.
3.5.2. Trải phổ nhảy tần FSSS
FHSS trải tín hiệu bằng việc phát một trùm ngắn trên một kênh tần số và sau đó thay đổi (nhảy) sang một kênh khác trong một thời gian ngắn khác theo một mẫu đã