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.