Thiết kế m ột hệ theo các yêu cầu sau: Tốc độ bit: 20 M bps
Trễ trải cực đại: 20 ns D ải thông: 15 M H z
Các thông số được chọn như sau:
• Dải bảo vệ
Tc, = 4 X 200ns = 800 ns
• Độ dài ký hiệu
To f d m = 6 X 8 0 0 n s = 4 , 8 |!S
• Khoảng cách giữa các sóng mang con
K Jc = 1/ (Tofdm - Tg) = 250 KHz
• Điều chế và mã hóa
Để truyền dữ liệu với tốc độ 20 M bps thì số bit trên mỗi ký hiệu OFDM là: 20 M bps \ 4,8 fj,s = 96 bit/ký hiệu. Ta có thể lựa chọn:
■ 16 - QAM , mã hóa với tỷ lệ mã v2: mỗi sóng mang con mang 2 bit. Do vậy cần 48 sóng mang con.
■ QPSK, mã hóa với tỷ lệ 3Á: mỗi sóng m ang con m ang 1,5 bit. Do vậy cần 64 sóng m ang con.
Tuy nhiên trong phương án hai, dải thông cần thiết sẽ là: 64 X 250 KHz = 16MHz
lớn hơn dải thông đã cho. Vì vậy, phương án 1 là lựa chọn tốt thỏa mãn các điều kiện ràng buộc.
2.3 Ư u nhươc điểm của O FD M• 2.3.1 Ưu điểm:
O FD M có một số ưu điếm so với hệ điều chế đơn sóng m ang và nó cũng giúp đỡ cải thiện C D M A cho mạng vô tuyến trong tương lai. Ta sẽ thảo luận về những ưu điểm này.
2.3.1.1 Kháng nhiễu cao trên kênh pha-đinh chọn tần:
Ư’u điểm nổi bật và dễ nhận thấy đó là khả năng hoạt động tốt trên kênh pha-đinh chọn tần. K ênh pha-đinh gây nên hiện tượng trễ trải nên nó được gọi là kênh tán sắc thời gian (tim e dispersive channel) hay kênh chọn tan (frequency selective channel). Kênh này có một đại lượng là nghịch đảo của thời gian trễ trải gọi là dải thông kết hợp hay dải thông tương quan. Khi truyền qua kênh này, tín hiệu sẽ gặp phải ISI, đặc biệt khi truyền thông với tốc độ cao. Khi đó chu kỳ bit nhỏ và tương đương với thời gian trễ trải, sự chồng lấn sang các ký hiệu bên là không tránh khỏi. Đối với OFDM , dòng bit được chia thành các dòng nhánh tốc độ thấp và truyền song song. Do các dòng nhánh có tốc độ thấp nên nó ít nhạy với trễ trải thời gian của kênh. Do trễ trải cùng bậc với chu kỳ bit nên nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu và triệt được ISI. v ề phương diện tần số, triệt ISI là do có thể coi mỗi dải con là pha-đinh
phăng (flat fading). Mỗi dải con chiếm 1/N dải thông nên nó nhỏ hơn dải thông kết hợp, do đó pha-đinh trên mỗi dải con có thể coi là pha-đinh phang. Dưới đây là m ột ví dụ minh họa so sánh OFDM và điều chế đon sóng mang QAM trên kênh pha-đinh đa đường dùng phương pháp mô phỏng.
Đáp lĩng blẽn độ
T án sứ- c h u ín hóa
Đáp úng pha
Hĩnh 2.3.1.1.1 Đáp ứng tần số của kênh pha-đinh đa đường
Đối với trường hợp đơn sóng mang dùng 16QAM, dạng tín hiệu truyền đi và thu được như dưới hình sau
D ữ liệ u t r u y ể n đ i 1 »---.—ẹẹ GQỌ>ẹh> ■—«■ T in h iệ u O A M t r u y é n đ i 0 8 0 6 0 4 Ũ.2 ũ l o ^ o o ọ o L J -Ọ 3 0 0 0 ( 5 0 0 10 15 20 25 D ữ liệ u n h ạ n đ ư ợ c 1 -- $---- .-- Ọ Ọ Ọ '-Ọ— ----ẹ—© 0 8 Ũ.G 0 4 0 2 0 ooọo o 1 o o o o o 10 15 T in h iệ u O A M n h ậ n đ u ự c 20
Hĩnh 2.3.1.1.2 Tín hiệu phát và thu dùng điều chế QAM
Phổ của tín hiệu QAM trước và sau khi qua kênh
0 05 0.1
D á p ứ n g b iẽ n đ ộ c ứ a k ề n h
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
P h ổ tín h iệ u Q A M n h ậ n đ ư Ụ C
Hình 2.3.1.1.3 Phổ của tín hiệu QAM trước và sau khi qua kênh
Giản đồ chòm tín hiệu của QAM
G iả n ữ ổ c h ò m tín h lậu 16-QAM n h ận dưcfc vá blftn quytft đ ịn h
2.5 2 15 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 ấ > ầ ề • m * ft ũ ủ , ft • . i ừ X * X • • X ■ ‘ X • t * \ • V m **« .1 • *1 • • • •% * s *• * .y• 4 ỉ . .. - k * X X “ X * mi *! * * * m • * * * m • • * ũ • • t • 1 m • • t• - X * • * * . . X • 1 V t (M *. V * * *• • / * •1* * * * * .* * *! a A • . y * .< • * • • • * * /* ìtr— ... —«■■■•* »* - ■* X . . . « X í ‘ • 1C • X ỉ * * t • A * ... . *A * *• • -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Ũ 0.5 1 1.5 2.5
Hình 2.3.1.1.4 Giản đồ chòm tín hiệu 16QAM sau khi qua kênh
Tín hiệu O FD M phát và thu
Dữ liệo truyển đi
1 — Ỹ --- '— V T — V Y T ' 1 10 15 20 25 Dử liệu nhãn duức 1 Ị—ẹ- 0 8 0.6 0.4 0.2 00
Tín hiệu OFDM truyển đi
Tin hh iệu OFDM n h ả n đ ư ợ c
Phổ của tín hiệu OFDM trước và sau khi qua kênh
0 06 0.1 0.15 0.2 0.25 0 3 0.35 0 4 0 45 0 5 Phổ ỉín hlẻu OFDM truyến đi
0 0 06 0 1 0.15 0 2 0.25 0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 Đáp i/ng biền độ ciỉa kổntì
0.15 0 2 0 25 0 3 0 35 Phổ tín hiệu OFDM nhận d uợc
Hình 2.3.1.1.6 Phô của tín hiệu OF DM trước và sau khi qua kênh
Ta thấy phổ tín hiệu QAM tập trung quanh tần số sóng mang. Khi chỗ trũng pha-đinh rơi vào phần này thì tín hiệu sẽ bị phá hủy, trong khi phố của O FD M trải đều trên toàn dải thông và chỗ trũng pha-đinh không ảnh hưởng nhiều tới nó.
2.3.1.2 Hiệu suất phổ cao
O FD M đạt hiệu suất phổ cao vì nó cho phép các sóng mang con có thể chồng lấp lên nhau ở miền tần so. N eu số sóng con là N, dải thông tổng cộng sổ là:
BW„... = ^ ± 1
° *v total r
Khi N lớn dải thông tổng cộng sẽ xấp xỉ:
N_ y .
Trong khi dải thông đế truyền dừ liệu giống như vậy khi truyền nối tiếp là:
BW,.... = ^
n YY lonil rp
Hiệu suất sử dụng phố của OFDM gần như tăng 100% so với đơn sóng mang.
Ghép kênh tần sô' thong thường I D.Vl
G hép kênh tần sổ*trực giao OFDM
Hình 2.3.1,2.1 Hiệu suất sử dụng dải thông của FDM và OFDM
2.3.1.3 Hiệu quả trong điều chế và giải điều chế:
Đ iều chế và giải điều chế được thực hiện số hóa hoàn toàn bằng IFFT và FFT, chúng đạt hiệu quả tốt trong tính toán. Do điều chế và giải điều chế số hóa nên không cần các mạch dao động có độ ổn định tần số cao.
2.3.1.4 Phân tập tần sổ
OFDM có thể kết hợp với DS-CDM A để tạo thành hệ M C-CDM A. Nó là sự kết hợp của hai hệ trên, nên có cả các ưu điểm của từng hệ. Vì dữ liệu của người dùng được điều chế trên tất cả các sóng mang con nên ta có được phân tập tần số giống như trong CDMA.
2.3.2 N hư ợc điểm:
Ngoài những ưu điểm nêu trên, OFDM cũng có một số những nhược điểm. Hai nhược điểm quan trọng là tỷ số công suất cực đại trên trung bình PAR cao và việc đồng bộ nhạy với di tần.
2.3.2.1 Tỷ số công suất cực đại trên trung bình (PAR) cao
Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phần nên biên độ của nó có đỉnh cao dẫn tới tỷ so PAR cao. PAR lớn gây nên sự bão hòa trong bộ khuếch đại và yêu cầu D/A có dải động rộng, v ấ n đề về PA R sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo.
23.2.2 Đồng bộ trong OFDM
Đ ồng bộ là một vấn đề chung cho các hệ thống thông tin. Các ký hiệu từ nơi phát đến nơi thu sẽ bị biến đổi do các thành phần như: thành phần cao tần RF, kênh, nhiễu,... Tại nơi thu các thông số như: tần số sóng mang, chu kỳ ký hiệu... được nhận dạng theo nhiều cách, v ấ n đề đồng bộ sẽ là chìa khóa để xác định chúng.
Trong quá trình thu phát, qúa trình đồng bộ có thể bị lỗi do các nguyên nhân sau:
• Lôi đồng bộ ký hiệu
Lồi này xuất hiện khi xác định sai điểm biên của từng ký hiệu. Neu lỗi này lớn, nghĩa là vượt qua cả giới hạn của CP thì sẽ xảy ra nhiễu xuyên ký hiệu ISI. Hơn nữa, sau khi lay DFT, nhiễu xuyên kênh ICI cũng có thế xảy ra do tính trực giao giữa các sóng mang con không còn. Vì vậy, trong 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 lẩn sang ký hiệu kề bên. Khi đó sẽ không có ISI và ICI, nhưng vẫn xảy ra sự xoay pha của sóng mang con trong miền tần số. Sự xoay pha phải được bù bằng cách ước lượng kênh.
• Tần sổ Ị ấ y mẫu không hòa hợp
Tần số lấy m ẫu không hòa họp do sự khác nhau giữa đồng bộ nơi phát và nơi thu. Nó sẽ là vấn đề lớn trong hệ thông tin tốc độ cao. Ánh hưởng của nó làm tăng lỗi về pha và sự suy hao biên độ dẫn tới ICI.
• Sự di tần của sóng mang
Khi bộ dao động tại nơi phát và nơi thu có tần số khác nhau thì sự di tần sóng mang sẽ xảv ra. Ngoài ra, dịch tần Doppler hoặc kênh phi tuyến cũng gây ra di tần sóng mang. Khi sóng mang con bị dịch đi, biên độ tín hiệu bị giảm do điểm lấy m ẫu không còn ở đỉnh của hàm sinc nữa. OFDM rất nhạy với di tần.
Các lỗi đồng bộ trên có quan hệ rất mật thiết với nhau. Ví dụ để giảm ICI do di tần thì khoảng cách giữa các sóng mang con phải tăng lên bằng cách giảm số sóng đi. Khi số sóng m ang giảm thì tốc độ ký hiệu phải tăng lên để bù lại phần mất mát dung lượng do đó yêu cầu về đồng bộ trong miền thời gian lại cần tốt hơn.
'r Thuật toán đồng bộ
Có rất nhiều bài báo và nghiên cứu về vấn đề đồng bộ. Có rất nhiều cách tiếp cận khác nhau song tất cả các thuật toán đều dựa trên các sự sắp đặt của mẫu (pattern) thông tin. Các thông số để đồng bộ có nhiều tên gọi như: tiến tố vòng (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 (ML) hoặc xác suất hậu nghiệm cực đại (MAP). Đê thực hiện các tiêu chuấn 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. N eu vậy, thì cần bao nhiêu thông tin để đủ cho việc đánh giá. N ói chung, nếu mẫu là ngắn thì dải đánh giá lại qúa rộng còn phần dẫn đường dài thì lại cần quá nhiều tiêu đề (overheads). Các hệ thống gần đây tiếp cận vấn đề theo hai bước: ước lượng thô và ước lượng tinh. Sự điều chỉnh giữa mẫu ngắn (trường hợp thô) và mẫu dài (trường họp tinh) cần được thiết kế cẩn thận. Một khó khăn cho phần lớn các giải thuật đó là độ phức tạp tính toán. Nó cũng là tiêu chí lựa chọn giải thuật phù họp.
C H Ư Ơ N G 3 TỶ SÓ C Ô N G SU Ấ T Đ ỈN H T R Ê N C Ô N G SU Ấ T T R U N G B ÌN H
3.1 G ió i thiêu•
Trong điều chế sóng mang, tín hiệu là tổng của N tần số (sóng mang) độc lập được điều chế. Trong các ứng dụng thực tiễn, số sóng m ang này thường từ 256 trở lên. Việc điều chế được thực hiện bằng biến đổi Fourier ngược rời rạc (IFFT) để tạo ra tín hiệu tổ hợp rời rạc về mặt thời gian. Do cộng từ nhiều tần khác nhau nên tín hiệu OFD M có biên độ đỉnh lớn. Khi so sánh với công suất trung bình của tín hiệu, công suất của những đỉnh này cao và kéo theo là công suất đỉnh trung bình (PAR) cũng cao. Sự xuất hiện những đỉnh này gây nhiều khó khăn khi thực hiện trong môi trường vô tuyến. Đây thường được coi là nhược điểm chính của OFDM .
Q ua nhiều năm, có nhiều giải pháp được đề xuất để cải thiện vấn đề này. Mặc dù có cùng chung cơ sở, nhưng các giải pháp này thường khác nhau đặc biệt là trong cách tiếp cận. Hơn nữa, các tác giả cũng thường không đồng ý hoàn toàn về ảnh hưởng của tín hiệu đỉnh lớn lên hoạt động của hệ thống. Trong chương này ta sẽ đi xem xét những tính chất của PAR cũng như các giải pháp đề ra để khắc phục nó.
3.2 C ác khái niệm:
Hình 3.2.1 biểu diễn sơ đồ khối một hệ phát đa sóng m ang OFDM
Hình 3.2.1 S ơ đồ hệ OFDM
D òng bit dữ liệu vào được chuyển thành N dòng song song. Sau đó chúng dược mã hóa và điều chế thành các ký hiệu O FD M . Các ký hiệu X = { x n }^0' này được điều chế trên N sóng mang. Bộ IFFT sẽ chuyển N ký hiệu từ miền tần số sang miền thời gian:
x = Q X (3.2.1)
Ị 2mik
Trong đó Q là ma trận IFFT gồm các phần tử qnk = -J= e 'v
\ỊN
T ín hiệu thời gian rời rạc trong (3.2.1) có giá trị đỉnh lớn vì nó là tổng của nhiều sóng m ang độc lập. N ó làm cho tỷ sổ công suất đỉnh trên trung bình PA R lớn. Với PA R được định nghĩa như sau:
í I2 m ax x I
PAR(X) = (3.2.2)
Với E(.) là toán tử kỳ vọng. M ột số ví dụ của PA R[5]:
• Trường hợp nhị phân độc lập cùng phân bố có giá trị G {0,1}, ta có:
p a r = ỳ = 2 2 • Trường họp điều chế M PSK:
PAR = 1 vì các điểm có cùng khoảng cách với gốc tọa độ. Đ ây là trường hợp chặn dưới của PAR.
• Trường hợp điều chế 16 - Q A M khi các ký hiệu có cùng xác suất thì: P A R = 1,8.
M ột đại lượng cũng hay được sử dụng là thừa số m ấp mô (CF: crest factor) là căn bậc hai của PAR:
CF = JpÃR
Hình dưới là biên độ của một ký hiệu OFDM : xn(t)
0 5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 ■ữ.t -0.2 -0.3 -0.4 -0 5 0 50 100 150 200 250
Hĩnh 3.2.2 Biên độ một mẫu kỷ hiệu OFDM
Giá trị PA R cao không được m ong chờ, nó sẽ yêu cầu dải động của các bộ biến đối A /D và D/A lớn. Việc dùng chúng là không hiệu quả vì hầu hết biên độ của tín hiệu chỉ nằm trong một phần của dải này. Và để giữ nhiễu lượng tử hóa nằm ở mức có thể chấp nhận được thì phải yêu cầu có nhiều bit.
Tín hiệu số qua bộ biến đổi D/A và được lọc tạo dạng để tạo thành tín hiệu liên tục S(t) để truyền đi. Tín hiệu liên tục này cũng có biên độ đỉnh lớn. Tương tự như trên, ta cũng có khái niệm thừa số mấp mô thời gian liên tục CFc được định nghĩa như sau:
\S(t)\
I I m ax
c C
° RM S
Giá trị C Fc lại làm phát sinh vấn đề khi tín hiệu liên tục S(t) đi tới các thiết bị như bộ khuếch đại. N ó làm phát sinh hiện tượng méo trong dải và phổ bị trải ra. Để tránh hiện tượng này, các bộ khuếch đại phải tuyến tính cao và hoạt động với back o ff lớn. Hai yêu cầu này đều đắt và không hiệu quả.
Với những lý do trên thì cần thiết phải giải quyết vấn đề PAR.
3.3 C ác tính chất thống kê của PAR:
Ta đã biết tín hiệu OFD M là:
(3.3.1) N ếu x k = ak + jbk thì theo (2.1.3.4) ta có:
N - ì
xn = X k C0S(2¥ntk) + anún(2ĩrfntk)} k - 0 ,..., N -l (3.3.2) G iả sử dữ liệu vào an, bn là độc lập và có cùng phân bố thì N lớn, theo định lý giới hạn trung tâ m [ll] , {xn} sẽ có phân bố xấp xỉ phân bo Gauss với trị trung bình bàng không và phương sai: ơ \ = ơ ị (với hệ số chuẩn hóa yíY r
của IFFT). Khi các lối vào có tương quan như trường hợp COFDM thì lối ra vẫn gần đúng là quá trình G auss phức nhưng lúc này phương sai ơ; lại phụ thuộc vào tương quan của lối vào. Lối ra của IFFT là phân bo Gauss với phương sai ơ ] . Vì vậy, biên độ un = |jc„ Ị là phân bố R ayleigh[l 1] có hàm mật độ xác suất:
Ảnh hưởng không m ong muốn của ký hiệu OFDM nằm ở đuôi của phân bo Rayleigh, tương ứng với phần đỉnh lớn. Vì vậy ta sẽ xét phần phân bố của