2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường
Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh
Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung:
Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh:
2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế2.3.2.1 Sơ đồ: 2.3.2.1 Sơ đồ:
Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM
Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp:
Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ
Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là:
2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT
Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Khi đó độ rộng một mẫu là :
Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số:
Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế được biểu diễn dưới dạng số:
Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT.
2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM
Ngày nay, kĩ thuật OFDM đã được tiêu chuN n hoá là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống AM), các hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) và ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng kể.
DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh truyền thống AM. Tần số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, nhỏ hơn 30MHz, phù hợp cho việc truyền sóng khoảng cách lớn. Môi trường truyền sóng của hệ thống là kênh phân tập đa đường có sự tham gia phản xạ mặt đất và tầng điện li nên phạm vi phủ sóng của DRM rất lớn, có thể phủ sóng đa quốc gia hay liên lục địa.
Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz
Độ dài FFT: NFFT= 256.
Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: NC=198.
Do trễ truyền dẫn tương đối lớn nên hệ thống DRM được thiết kế chỉ dành cho các máy thu tĩnh hay xách tay. Điều này khác hẳn so với hệ thống DAB hay DVB được thiết kế cho máy thu có tốc độ di chuyển tương đối lớn như ô tô, tàu hoả….
2.4.2 Các hệ thống DVB2.4.2.1 DVB-T 2.4.2.1 DVB-T
Giới thiệu :
Thế hệ máy phát số ra đời khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự như khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đường và thu di động… Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống nhau, chỉ khác nhau phần điều chế.
Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ DVB-T
Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành từng khung, cứ 4 khung liên tiếp tạo thành 1 siêu khung.Lí do của việc tạo khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số của phía phát bằng các sóng mang báo hiệu thông số phía phát (Transmission Parameters Signalling carriers- TPS). Việc hình thành siêu khung là để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian được đánh số từ 0 đến 67.Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông8MHz, một số nước khác chọn 7MHz). Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa:
• Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512.
• Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB
• Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều chỉnh tần số.
• Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhưng được rải đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất.
• Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải thông 78MHz.
Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI, nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol. Việc chèn thêm này được thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ TG khác nhau theo quy định của DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU (TU: chiều dài phần tín hiệu có ích).
2.4.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình
Hình 2.13 Sơ đồ thu của DVB-H
Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần:
• Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H.
• Tín hiệu vào là tín hiệu DVB-T. Khối điều chế DVB-T thu lại các gói dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu này cung cấp các mode truyền dẫn (2K, 8K và 4K) với các tín hiệu mang thông số truyền dẫn - TPS tương ứng.Module Time Slicing giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ và hỗ trợ việc chuyển giao mạng linh hoạt hơn. Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép bộ thu có thể đương đầu với các điều kiện thu đặc biệt khó khăn. Tín hiệu ra khỏi giải điều chế DVB-H có dạng các gói của dòng truyền tải TS hoặc các IP Datagrams (khi thu tín hiệu DVB-H).Đầu cuối DVB-H giải mã các IP Datagrams,hiển thị nội dung của các chương trình DVB-H.
Hiện nay nhiều hãng sản xuất điện thoại đã có các thế hệ ĐTDĐ DVB-H đầu tiên: NOKIA 7700 và 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS…
Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm:
• Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G).
• Bộ thu DVB-H.
• Camera 1.3M pixel.
• Màn hiển thị VGA (640 x 480).
• Màn hình cảm biến - touch screen.
• Âm thanh ngõ ra Stereo.
• Hỗ trợ chuNn không dây Bluetooth.
Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H .
DVB-H đang có những ưu thế vượt trội của mình: Tiết kiệm năng lượng Pin tới 90%, thu tín hiệu trong môi trường di động tốt, tín hiệu được đóng gói dạng IP và truyền tín hiệu dưới dạng quảng bá tới các máy điện thoại di động. Bởi vậy ứng dụng công nghệ quảng bá DVB-H cho đường xuống (downlink) của các máy điện thoại trong mạng di động dường như là một giải pháp mang tính đột phá mà các thế hệ mạng viễn thông 2G (GSM); 2,5G (GPRS) và 3G (UMTS) hiện nay chưa thể khắc phục ngay được. Đó là không bị hạn chế về băng thông khi tại cùng một thời điểm số thuê bao sử các dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt.
Sự hội tụ giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm tại nhiều nước trên thế giới (mô hình DVB-H & GPRS hay DVB-H & UMTS) và đã chính thức đưa ra sản phNm của mình vào đầu năm 2005 như Nokia, Philips, Siemens...các hãng sản suất máy phát số hàng đầu thế giới (Harris, Intelco, Rohde&Schwarz...) cũng đã xuất xưởng các thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H. Cuộc đua giữa điện thoại di động 3G và điện thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu! Với những ưu thế của mình, ĐTDĐ truyền hình công nghệ DVB-H đang mở ra những triển vọng mới cho người sử dụng.
STT Đặc điểm DVB-T DVB-H
1
Tốc độ bit của một kênh truyền hình có độ nét tiêu chuNn SDTV 4-5 Mbit/s 128-384 Kbit/s 2 Màn hiển thị Màn hình TV cỡ trung bình và lớn. Màn hình điện thoại nhỏ. 3 Anten
Anten trên mái nhà (anten Yagi), trong nhà (anten roi) hoặc anten trên ôtô.
Anten bên trong điện thoại.
4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục.
Nguồn năng lượng Pin và có giới hạn.
5 Chế độ thu
Thu cố định, thu xách tay trong nhà và thu trên phương tiện giao thông.
Các máy cầm tay di động.
Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H
Hiện nay với công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) chúng ta có thể phát được khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) trên một kênh sóng (với tốc độ tổng là 27,14 Mbit/s). Trong khi đó công nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với các màn hình cỡ nhỏ (vài inch) của các đầu cuối cầm tay. Với màn hình nhỏ thì chỉ với tốc độ 128-384 Kbit/s trên một kênh (hay một chương trình TV yêu cầu) đã có thể phân phối một kênh video chất lượng cao. Chính công nghệ này đã làm tăng hiệu quả của quá trình phát quảng bá và có thể truyền được từ 10 đến 55 chương trình TV trên một kênh sóng.
Ngoài ra, trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G), kĩ thuật OFDM còn còn thể kết hợp với các kĩ thuật khác như phân tập anten (MIMO- Multi In Multi Out- đa anten phát thu) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập vào mạng.Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM; tuy nhiên, khả năng ứng dụng những kĩ thuật này cần được kiểm chứng trong tương lai.
Kết luận chương: Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều chế
OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế. Qua đó chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA được sử dụng trong công nghệ WiMAX sẽ trình bày ở chương 3
CHƯƠNG 3
KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX
Giới thiệu chương: Trong chương 3 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm
và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.
3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access-Đa truy nhập phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub- channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể.
3.2 Đặc điểm
OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao
có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI)
Hình 3.1 ODFM và OFDMA
Hình 3.2 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn,khác với những người còn lại.
Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA
Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian.
3.3 OFDMA nhảy tần
Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định (fix set) cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình.
Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất
Hình 3.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian.
Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS- CDMA và MC- CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào.
Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.4 cho N song mang phụ,nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao.
Hình 3.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau
3.4 Hệ thống OFDMA
Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA
Nguồn tín hiệu làm một bít được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK ,M- QAM… Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI. Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN( Addictive White Gaussian Noise ).
Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống.
Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA
Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Đối với kênh hướng xuống :
Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink
Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM trong miền thời gian,