Thiết lập tớnh tương thớch cỏc thụng số cho tớn hiệu OFDM
Trong phần trờn ta đó nghiờn cứu về cấu trỳc một tớn hiệu OFDM, tuy nhiờn để mụ phỏng một tớn hiệu OFDM sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Hai nhiệm vụ chớnh cần thực hiện trong quỏ trỡnh mụ phỏng một tớn hiệu OFDM là:
Tương thớch giữa tốc độ dữ liệu người dựng và số lượng súng mang con sử dụng để truyền dữ liệu.
Tương thớch giữa số lượng súng mang con sử dụng truyền dữ liệu và kớch thước FFT.
Ngoài ra, cỏc cụng việc khỏc như: chuyển tớn hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, chốn khoảng bảo vệ, lọc tớn hiệu OFDM dựng bộ lọc băng thụng với hỡnh dạng bộ lọc là cửa sổ Kaiser.
Để hiểu rừ quỏ trỡnh mụ phỏng tớn hiệu OFDM, ta hóy xột một vớ dụ mụ phỏng một tớn hiệu OFDM cụ thể với thời gian mụ phỏng 1 giõy. Giả sử cỏc tham số hệ thống được mụ tả trong bảng dưới đõy.
Bảng 6.1 Tham số hệ thống dựng cho mụ phỏng tớn hiệu OFDM
Tham số hệ thống Giỏ trị
Tốc độ dữ liệu đầu vào: Rb 12 Mbps
Số lượng súng mang: Nsub 90
Kớch thước FFT: NFFT 256
Mức điều chế súng mang: M-QAM 16-QAM
Thời gian mụ phỏng: Tsim 1 s
Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,083 às
Thời gian ký hiệu hữu ớch: TFFT Nsubìlog2(M) ìT = 30 às Thời gian khoảng bảo vệ: TG 1/4 TFFT = 7,5 às
Thời gian ký hiệu OFDM: Tsym TFFT + TG = 37,5 às
Vỡ tốc độ dữ liệu là 12 Mbps, nờn trong khoảng thời gian 1 giõy mụ phỏng sẽ cú bit
10
12ì 6 truyền. Nhưng do phương phỏp điều chế súng mang con là 16-QAM, do đú số lượng ký hiệu 16-QAM sẽ là: 6 3 106
4 10
Chương 6: Chương trỡnh mụ phỏng truyền dẫn OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
Quỏ trỡnh tương thớch giữa tốc độ dữ liệu người dựng và số lượng súng mang con
Mỗi súng mang con trong một ký hiệu OFDM sẽ mang một ký hiệu dữ liệu. Khi số lượng ký hiệu khụng bằng bội số nguyờn lần số lượng súng mang con, để đảm bảo mỗi súng mang con đều cú dữ liệu truyền ta phải tiến hành chốn thờm cỏc ký hiệu ‘0’.
Mà mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của cỏc súng mang con, do đú một ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ dữ liệu truyền trờn cỏc súng mang con. Trong trường hợp này mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa dữ liệu cú trong 90 súng mang con. Vỡ cú điều này nờn: số lượng ký hiệu OFDM = 33334
90 10 3 ceil 6 = ì , Trong đú: ( ) [ ] < ∉ > ∉ + ∈ = 0 x , Z x , x 0 x , Z x , 1 ] x [ Z x , x x
ceil , với [x] là phần nguyờn của x.
Số lượng ký hiệu phải chốn thờm là: 90 - phần dư 60 90 10 3 6 = ì . Hỡnh 6.2 sẽ minh hoạ quỏ trỡnh này:
Sau khi thực hiện tương thớch giữa tốc độ dữ liệu đầu vào và số súng mang sử dụng truyền dữ liệu, cần tiến hành quỏ trỡnh tương thớch tiếp theo giữa kớch thước FFT và số súng mang.
Quỏ trỡnh tương thớch giữa kớch thước FFT và số súng mang con
Một ký hiệu FFT được tạo nờn từ biến đổi IFFT cỏc mẫu tần số. Mẫu tần số là mẫu thu được do quỏ trỡnh lấy mẫu cỏc tần số súng mang con. Do đú trong khoảng thời gian biến đổi IFFT sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của cỏc súng mang con. Trong biến đổi Fourier do khoảng tần số lấy từ (−∞;+∞), nhưng đối với phương phỏp FFT thỡ khoảng tần số bị giới
hạn do vậy, sau biến đổi FFT sẽ chịu hiệu ứng biờn, hiệu ứng biờn làm sai lệch cỏc giỏ trị tớn hiệu ứng với cỏc tần số ngoài rỡa. Vỡ thế để giảm hiệu ứng biờn ta phải tăng kớch thước FFT so với số súng mang, muốn vậy: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kớch thước FFT/2 > số súng mang con
Nhưng cũng vỡ thế mà số lượng cỏc mẫu tần số tại đầu vào FFT bị thiếu, lượng thiếu = Kớch thước FFT/2 - số súng mang con. cho nờn ta phải tiến hành chốn thờm cỏc tần số ‘0’ trước khi biến đổi IFFT.
Theo bảng tham số dựng mụ phỏng ta cú: Kớch thước FFT/2 = 128, mà số súng mang = 90. Do đú cần chốn thờm 128-90 = 38 súng mang ‘0’. Cho nờn số lượng súng mang thực tế phải dựng cho mỗi ký hiệu OFDM sẽ là 90 + 38 = 128, tuy nhiờn 38 súng mang chốn thờm sẽ khụng mang dữ liệu người dựng và chỳng được đặt là ‘0’. Hỡnh 6.3 sẽ minh hoạ quỏ trỡnh này:
Do đú số lượng ký hiệu ‘0’ phải chốn thờm là: 4266752 -3000000=1266752 ký hiệu. Ta thấy nếu chọn kớch thước FFT quỏ lớn so với 2 lần số súng mang thỡ sẽ phải chốn rất nhiều ký hiệu khụng mang thụng tin. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn.
Để tạo dạng phổ thực cho tớn hiệu OFDM, thỡ phần cũn lại của kớch thước FFT (cú chiều dài FFT/2 là phần cú cỏc mẫu tần số cú giỏ trị cao hơn), sẽ được lấp đầy bằng cỏch lấy liờn hợp phức phần đầu của kớch thước FFT (cú chiều dài FFT/2 gồm cỏc mẫu tần số cú giỏ trị thấp). Quỏ trỡnh này được mụ tả bằng hỡnh 6.4 dưới đõy:
Chương 6: Chương trỡnh mụ phỏng truyền dẫn OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
Sau khi sắp xếp cỏc mẫu tần số trong ký hiệu OFDM, sẽ thực hiện biến đổi IFFT lờn ký hiệu OFDM trong miền tần số. Quỏ trỡnh này sẽ chuyển tớn hiệu OFDM từ miền tần số sang miền thời gian.
Bước tiếp theo trong cụng đoạn mụ phỏng tớn hiệu OFDM là chốn khoảng bảo vệ, quỏ trỡnh này được thực hiện cho từng ký hiệu OFDM (xem lại phần 3.5). Cuối cựng ta sẽ được một tớn hiệu OFDM cú dạng:
Thiết lập cỏc thụng số khởi tạo cho hệ thống truyền dẫn OFDM thớch ứng
Trước tiờn để hiểu nguyờn lý hoạt động của chương trỡnh mụ phỏng ta hóy xột cỏc tham số vào ra của hệ thống.
Bảng 6.2 Thụng số mụ phỏng hệ thống OFDM thớch ứng
Tham số Giỏ trị
Tốc độ dữ liệu: Rb 2 Mbps
Mức điều chế súng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64
Tần số lấy mẫu: fs fs
Số lượng súng mang: Nsub 52 - 1024
Kớch thước FFT: NFFT NFFT
Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 às
Thời gian ký hiệu hữu ớch: TFFT TFFT = Nsub ìlog2(M) ìT Khoảng thời gian bảo vệ: TG TG
Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG
Thời gian mụ phỏng: Tsim Tsim = 0,064 s
Cửa sổ Kaiser, β = 10
Mụ hỡnh kờnh Pha đinh Rayleigh
Hỡnh 6.5 Mụ phỏng tớn hiệu OFDM trong miền thời gian, [sim_ofdm_signal.m]
Khoảng thời gian bảo vệ: G TU n 1 T = , n = 1/2, 1/4, 1/8, 1/64 ...., Tần số lấy mẫu: sym s T 1 3 f = , trong đú Tsym = TFFT + TG,
M là số trạng thỏi điều chế QAM (M = 2 ứng với BPSK), vỡ cỏc thụng số cú sự liờn quan đến nhau do đú chỉ cần khai bỏo cỏc thụng số: Rb, M, Nsubcarr, NFFT, TG. Từ kớch thước file ảnh hoặc file text ta xỏc định thời gian mụ phỏng:
Tsim = số lượng bit truyền/ Rb.
Trong chương trỡnh mụ phỏng, cỏc tham số khởi tạo hệ thống được tập trung vào trong một bảng, giỏ trị của cỏc tham số được thiết lập khi khởi tạo và cú thể thay đổi trong quỏ trỡnh thực hiện chương trỡnh mụ phỏng nếu chọn chức năng điều chế thớch ứng. Tất nhiờn cỏc tham số sẽ giữ nguyờn giỏ trị như khi khởi tạo nếu khụng chọn chức năng điều chế thớch ứng. Giao diện tham số khởi tạo hệ thống được mở ra cú cấu trỳc như sau.
Để hiểu hoạt động của chương trỡnh mụ phỏng AOFDM trước tiờn cần phải hiểu rừ cỏc tham số khởi tạo hệ thống và ảnh hưởng của nú đến hoạt động của hệ thống.
Kớch thước FFT: Biểu thị bằng nhón ‘Kớch thước FFT’, tham số này chớnh là số điểm FFT dựng trong một ký hiệu OFDM hay chớnh là độ dài ký hiệu OFDM. Để đảm bảo phổ OFDM là thực thỡ kớch thước FFT > 2 lần số lượng súng mang (trong mục 3.3.2.4). Kớch thước FFT nếu chọn quỏ lớn sẽ lóng phớ băng tần nhưng bự lại sẽ phõn năng lượng tớn hiệu đều trờn cỏc súng mang, điều này cú tỏc dụng phõn tỏn lỗi. Tuy nhiờn nếu kớch (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 6: Chương trỡnh mụ phỏng truyền dẫn OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
thước FFT chọn quỏ nhỏ thỡ mật độ năng lượng trờn mỗi súng mang con sẽ lớn và nếu bị lỗi thỡ sẽ gõy lỗi cụm. Vỡ vậy nờn chọn giỏ trị tham số:
2:1< kớch thước FFT: số súng mang ≤ 5:1 (6.1) Cụ thể đồ ỏn thiết lập là 256.
Số lượng súng mang: hiển thị bằng nhón ‘Số súng mang’, là số lượng súng mang dựng để truyền dữ liệu. Cần phải phõn biệt giữa dữ liệu và dữ liệu người dựng, dựng thuật ngữ ‘dữ liệu người dựng’ cú nghĩa là dữ liệu đi đến bộ điều chế AOFDM, cũn ‘dữ liệu’ là dữ liệu người dựng và phần độn thờm (để thớch ứng với kờnh truyền), thường phần độn thờm này là cỏc ký hiệu ‘0’. Tất nhiờn số lượng súng mang cũng phải thoả món phương trỡnh (6.1).Số lượng súng mang càng lớn, thỡ trễ điều chế càng cao song được lợi về tớnh phõn tập, do sự phõn tỏn lỗi đều trờn băng tần của kờnh. Mặt khỏc vỡ cơ chế thớch ứng mà đồ ỏn sử dụng là chọn lọc súng mang tức là lựa chọn cỏc súng mang cú SNR cao (hay BER thấp) để truyền dữ liệu do đú số lượng súng mang lớn cú ý nghĩa đặc biệt quan trọng vỡ khi đú cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chớnh xỏc cỏc vựng tần số tương đối ổn định trờn kờnh. Tuy nhiờn thường chọn số lượng súng mang ≤500 vỡ tớnh chất mụ phỏng chạy trờn phần mềm. Do đú tốc độ xử lý khụng cao như tốc độ xử lý phần cứng trong thực tế. Trong đồ ỏn số lượng súng mang sử dụng là 100.
Khoảng thời gian bảo vệ: Hóy tưởng tượng mỗi ký hiệu đều cú một khoảng bảo vệ được gắn trước mỗi ký hiệu và khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ cực đại của kờnh, thỡ khi đú cỏc ký hiệu thu trước và sau sẽ khụng bị chồng lấn lờn nhau mà chỉ chồng lấn lờn cỏc khoảng bảo vệ. Do đú năng lượng mỗi ký hiệu sẽ khụng bị phõn tỏn trờn cỏc ký hiệu khỏc, tức là khụng cú hiện tượng ISI. Vỡ vậy khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM cú ý nghĩa đặc biệt quan trọng nú giỳp tăng chiều dài ký hiệu, chống pha đinh lựa chọn tần số (xem chương 3), đặc biệt chống lại hiện tượng ISI gõy thu sai tớn hiệu. Theo chuẩn DAB thỡ khoảng bảo vệ được chọn = 1/4 kớch thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phớa trước ký hiệu. Tuy nhiờn khoảng bảo vệ cũng được chọn lựa theo bất kỳ tỷ lệ nào như: 1, 1/2, 1/4, 1/8, …. Tuỳ theo kớch thước FFT là lớn hay nhỏ và giỏ trị trải trễ cực đại của kờnh. Đồ ỏn chọn giỏ trị khoảng bảo vệ = 1/4 kớch thước FFT, trờn giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ được hiển thị bằng nhón 'Khoảng bảo vệ' (4 cú nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kớch thước FFT).
Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giỏ trị dựng để thiết lập xem súng mang nào sẽ được dựng truyền dữ liệu người dựng và súng mang nào sẽ khụng sử dụng tức là phải tiến hành chốn ‘0’. Hàm thực hiện chức năng kiểm tra lỗi cho từng súng mang con là hàm ‘dem_loi’. Hàm này sẽ tớnh ra giỏ trị BER của từng súng mang con và kiểm tra xem nếu súng mang nào cú giỏ trị BER > BER ngưỡng thỡ sẽ gỏn cho phần tử của mảng QĐ tương ứng với vị trớ súng mang này giỏ trị là ‘1’, tức là khụng dựng súng mang này. Sau đú hàm ‘chen_song_mang’ sẽ căn cứ vào giỏ trị của mảng QĐ mà sẽ quyết định dựng và khụng dựng súng mang nào. Nếu ngưỡng BER được thiết lập quỏ lớn thỡ sẽ khụng cú tỏc dụng chọn lọc súng mang vỡ cỏc giỏ trị BER hiện thời trờn mỗi súng mang cú thể đều nhỏ hơn giỏ trị BER ngưỡng. Tuy nhiờn nếu thiết lập giỏ trị BER ngưỡng quỏ nhỏ thỡ số súng mang đảm bảo giỏ trị BER nhỏ hơn giỏ trị BER ngưỡng sẽ rất ớt do đú tốc độ truyền dẫn sẽ rất chậm do chỉ tiến hành truyền dữ liệu trờn một số ớt súng mang. Trong đồ ỏn giỏ trị BER ngưỡng được thiết lập là 10-3.
Tần số Doppler: Do chuyển động tương đối giữa mỏy thu và mỏy phỏt gõy ra hiệu ứng Doppler. Doppler gõy hiệu ứng điều tần ngẫu nhiờn đối với cỏc thành phần súng mang do đú làm sai lệch giỏ trị tần số của cỏc súng mang con. Điều này dẫn đến phổ tần của cỏc súng mang con chồng lần quỏ mức lờn nhau làm mất tớnh trực giao của cỏc súng mang con. Khi khụng cũn giữ tớnh trực giao thỡ năng lượng tớn hiệu trờn cỏc súng mang sẽ chồng lấn lờn nhau điều này sẽ dẫn tới khụng cũn phõn biệt được ranh giới giữa cỏc ký hiệu trờn cỏc súng mang con do đú gõy lỗi tại bộ quyết định. Tất nhiờn tần số Doppler trong đồ ỏn chỉ là giỏ trị cú ý nghĩa mụ phỏng để đảm bảo tớnh thực tế của mụ hỡnh kờnh, thụng thường tần số Doppler < 100 Hz. Đồ ỏn thiết lập giỏ trị tần số Doppler là 50 Hz.
Đỏp ứng xung kim kờnh: Đỏp ứng xung kim của kờnh chớnh là số lượng xung kim và giỏ trị biờn độ suy giảm của cỏc xung kim đú cựng với thời gian trễ.
Hỡnh 6.6 Cho thấy hỡnh dạng đỏp ứng của kờnh xung kim, với 3 đường trễ. Tương ứng cỏc giỏ trị biờn độ trờn hỡnh vẽ là cỏc giỏ trị biờn độ suy giảm của nhỏnh trễ của kờnh. Và thời gian trễ của từng nhỏnh là thời gian trễ của cỏc xung kim của kờnh. Trờn bảng khởi tạo giỏ trị ban đầu cho hệ thống AOFDM thỡ:
Thời gian trễ của xung thứ nhất sẽ là 5 tương ứng với nhón ‘nhỏnh 1’ trờn bảng. Thời gian trễ của xung thứ hai là 5+3 = 8 tương ứng với nhón 'nhỏnh 2' trờn bảng. Thời gian trễ của nhỏnh thứ ba là 5+3+9 = 17 tương ứng với nhón ‘nhỏnh 3’ trờn bảng. Cỏc giỏ trị biờn độ suy giảm của nhỏnh trễ sẽ tương ứng với cỏc nhỏnh là cỏc nhón ‘suy giảm 1’, ‘suy giảm 2’, ’suy giảm 3’ với cỏc giỏ trị lần lượt là 0.32, 0.28, 0.13. Tương ứng với cỏc giỏ trị này thỡ hỡnh dạng hàm truyền đạt của kờnh sẽ cú dạng:
Chương 6: Chương trỡnh mụ phỏng truyền dẫn OFDM thớch ứng Đồ ỏn tốt nghiệp Đại học
Tần số lấy mẫu ký hiệu phỏt: Mỗi ký hiệu sau khi điều chế ký hiệu OFDM đều được lấy mẫu với tần số lấy mẫu fs. Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phỏt thỡ tần số lấy mẫu cần thoả món định lý Nyquist: fs ≥2fsymtức là tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp
hai lần tần số ký hiệu. Trờn bảng nhập cỏc giỏ trị khởi đầu tần số lấy mẫu được thể hiện bằng giỏ trị dưới nhón ‘Tần số lấy mẫu’, trờn bảng giỏ trị này là 3 tức là đối với mỗi ký hiệu OFDM sau điều chế chỳng ta sẽ lấy mẫu tại 3 vị trớ của ký hiệu. Tất nhiờn ký hiệu sau khi thu sẽ là giỏ trị trung bỡnh của cỏc mẫu của cựng tớn hiệu phỏt, do đú khi tần số lấy mẫu lớn thỡ giỏ trị ký hiệu thu sẽ gần như giỏ trị ký hiệu phỏt vỡ thế BER sẽ giảm. Tuy nhiờn nếu tần số lẫy mẫu quỏ lớn sẽ dẫn đến giảm tốc độ bit thực truyền dẫn do phỏt lặp lại cựng một ký hiệu nhiều lần. Trong đồ ỏn giỏ trị tần số lấy mẫu = 3 lần giỏ trị tần