NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH THỰC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM LỖI

Bài luận văn chia làm ba chương:Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM.Chương 2. Can nhiễu trong hệ thống OFDM.Chương 3. Giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM. Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

ĐẶNG ANH XUÂN

NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ THỐNG OFDM TRÊN

KÊNH THỰC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM LỖI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ:2 60.52.70 4.3898

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : PGS TS TRẦN HỒNG QUÂN

HÀ NỘI - 2008

LỜI CẢM ƠN

Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, xin chân thành cảm ơn PGS TSKH Nguyễn Ngọc San cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau đại học,

đã tận tình giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tôi học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học tại đây.

Học viên xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Hồng Quân đã chỉ bảo tận tình và hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn này.

Học viên xin cảm ơn bố mẹ, toàn thể gia đình, người thân và người vợ thân yêu của tôi Đã luôn luôn ủng hộ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như làm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

Cuối cùng, học viên xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan, nơi công tác, đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học Xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi rất nhiều để có thể hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 17 tháng 9 năm 2008

Đặng Anh Xuân

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA

THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ

TÍN HIỆU OFDM

2

1.2.4 Ứng dụng OFDM trong các hệ thống thông tin 7

1.3.2 Điều chế đa sóng mang trực giao 14

2.2.1 Can nhiễu cùng kênh 39

2.3 TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA CAN NHIỄU ĐẾN HỆ

3.2 GIẢM CAN NHIỄU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU 59

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức chuyển giao không đồng bộ

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Tranform Biến đổi Fourier rời rạc

DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng báDVB-C Digital Video Broadcasting - Cable Truyền hình số hữu tuyếnDVB-S Digital Video Broadcasting - Satellite Truyền hình số vệ tinh

DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial Truyền hình số mặt đất

FDMA Frequency Division Multiplex Access Ghép kênh phân chia theo tần sốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FIC Fast Infomation Channel Kênh thông tin nhanh

ICI Inter-Channel Interference Can nhiễu giữa các kênhIDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngượcIFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngượcISI Inter-Symbol Interference Can nhiễu giữa các ký hiệuLAN Local Access Network Mạng nội bộ

MCM Multicarrier Modulation Điều chế đa sóng mang

MSC Main Service Channel Kênh dịch vụ chính

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên

trung bìnhP/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song sang nối tiếpPDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PSD Power Spectral Density Mật độ công suất

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phươngQPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

S/P Serial to Parallel Chuyển đổi nối tiếp sang song songSIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âmTDMA Time Division Multiplex Access Ghép kênh phân chia theo thời gianWLAN Wireless Local Access Network Mạng nội bộ không dây

TrangHình 1.1 So sánh phổ tần số của cùng một tốc độ dữ liệu truyền dẫn 3Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản hệ thống OFDM 5Hình 1.3 Nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) trong kênh 16

Hình 1.6 Phổ tần số giữa các kênh con 17

Hình 1.8 Tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu 20Hình 1.9 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 20

Hình 1.10 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM 21Hình 1.11 Phổ của một kênh con (a) và tín hiệu OFDM (b) 21Hình 1.12 Khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM 22Hình 1.13 Hệ thống OFDM với N sóng mang 24Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống OFDM với hai phương pháp xử lý 29Hình 1.15 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài µ 30Hình 1.16 Vòng bảo vệ chặn trước trong xử lý số 32

Hình 1.18 Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM hệ thống OFDM 64 sóng

mang con

34

Hình 1.20 Phổ công suất của tín hiệu OFDM 36Hình 2.1 Biểu đồ con mắt đối với điều chế biên độ pha nhị phân 2.2 51Hình 2.2 Biểu đồ con mắt số hai chiều 51Hình 2.3 Biểu thị các đường kết nối trong một hệ thống tế bào 55

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày này, thông tin và truyền thông không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta Trong đó, phương thức thông tin vô tuyến ngày càng phát triển và thể hiện tính ưu việt hơn hẳn của nó so với các phương thức thông tin khác Trong thông tin vô tuyến, việc sử dụng phương pháp điều chế nào sẽ quyết định một phần lớn đến hiệu quả và sự thành công của hệ thống đó

Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, can nhiễu là một yếu tố luôn luôn

đi kèm hệ thống, sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng thông tin Do đó, chúng ta luôn phải tìm cách hạn chế, tiến tới loại bỏ khỏi nguồn thông tin

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh, truyền hinh số, các mạng không dây, và tương lai là mạng thông tin di động 4G, bởi những ưu điểm của nó là tiết kiệm băng tần, khả năng chống lại fadinh chọn lọc theo tần số và xuyên nhiễu băng hẹp Để nghiên cứu, ứng dụng hiệu quả đòi hỏi chúng ta phải nắm vững và hiểu sâu sắc về kỹ thuật điều chế này, các yếu tố ảnh hưởng đến kỹ thuật điều chế OFDM và cách khắc phục nó Đây là lý do tôi lựa chọn luận văn này

Luận văn “Nghiên cứu xác suất lỗi của hệ thống OFDM và một số giải pháp giảm lỗi” sẽ nghiên cứu khái quát về công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, các loại can nhiễu trong hệ thống và các biện pháp chính

để giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM

Bài luận văn chia làm ba chương:

Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM

Chương 2 Can nhiễu trong hệ thống OFDM

Chương 3 Giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương 1:

TỔNG QUAN

HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Để tìm hiểu những đặc điểm và nguyên tắc chung trong xử lý tín hiệu của

hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, viết tắt là OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong chương này, luận văn sẽ

giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM và những nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM

Mục 1.2 là khái niệm về hệ thống OFDM, đặc điểm, cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống OFDM Trong mục này cũng giới thiệu sơ lược ứng dụng của kỹ thuật này trong một số hệ thống thông tin và truyền thông

Mục 1.3 trình bày nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM, bao gồm mô tả toán học, nguyên tắc xử lý tương tự và số trong hệ thống OFDM

Mục 1.4 trình bày một yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống OFDM

Sau đây là phần chi tiết

1.2 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG OFDM

1.2.1 Khái niệm

Hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay

hệ thống OFDM, về bản chất, là trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang (MCM), OFDM được xét ở đây có thể được gọi là kỹ thuật điều chế hoặc kỹ thuật ghép kênh [25], OFDM hoạt động trên nguyên lý, phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian ký hiệu tăng lên Do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

Hình 1.1 là hình ảnh minh họa sự so sánh phổ tần số của cùng một tốc độ

dữ liệu truyền dẫn với dạng: đơn sóng mang, đa sóng mang và OFDM Ở đây, rất giống với hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM cũng phân chia dải tần làm việc thành các băng tần con khác nhau, sau đó mới điều chế Nhưng khác với hệ thống đa sóng mang thông thường, tần số trung tâm của các băng tần con này sẽ trực giao với nhau về mặt toán học, và cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn nhau, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây can nhiễu cho hệ thống [25, 26]

1.2.2 Đặc điểm

Trong hệ thống OFDM, mặc dù sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau, nhưng lại cho phép chúng được tách ra ở máy thu mà không bị nhiễu từ các sóng mang khác, do đó, hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến gây nên Suy hao chủ yếu là hiện tượng fadinh do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu Với hệ thống này, fadinh chỉ ảnh hưởng hữu hạn các sóng mang con, hầu như toàn bộ các sóng mang con là băng hẹp, với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo chất lượng thông tin Hệ thống này cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng, mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, khi thu qua kênh lựa chọn tần số Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau, nhưng không bị phân tán thời gian, do

đó, không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc độ ký hiệu thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền đa đường, trễ truyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký hiệu ISI đáng kể

So với hệ thống đơn sóng mang, fadinh hoặc xuyên nhiễu đơn có tác động tới toàn bộ dữ liệu truyền trên kênh Nhưng với hệ thống OFDM, do việc truyền dẫn được thực hiện trên nhiều sóng mang trực giao nhau, nên chỉ một phần dữ liệu của hệ thống OFDM bị ảnh hưởng, và dữ liệu sai đó sẽ được sửa bằng các mã sửa lỗi thích hợp [25]

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao đã thực hiện được tất

cả các vấn đề của FDMA và TDMA OFDM chia băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau, cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau, mà không cần dải chắn như trong FDMA và cũng không cần ghép kênh theo thời gian như trong TDMA

Từ những đặc điểm trên, mà kỹ thuật OFDM được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin quảng bá như phát thanh số - DAB, truyền hình số - DVB, Wireless LAN, WiMAX và tương lai là hệ thống thông tin 4G [ 25]

1.2.3 Cấu trúc

Hình 1.2 mô tả cấu trúc cơ bản của một hệ thống OFDM Bao gồm ba khối chính: Khối phát tín hiệu, khối thu tín hiệu và kênh vô tuyến Nhiệm vụ các khối chức năng như sau:

1.2.3.1 Khối chuyển đổi nối tiếp/ song song (S/P)

Dữ liệu vào là luồng dữ liệu nối tiếp, được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2 bít/từ cho QPSK) và chuyển đổi thành dạng song song Dữ liệu được phát song song bằng cách gán mỗi ký hiệu cho một sóng mang để điều chế

1.2.3.2 Khối điều chế và biến đổi Fourier ngược

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc, nhưng chúng ta tránh được điều này dựa trên phép biến đổi Fourier ngược (FFT) Tùy thuộc vào kiểu điều chế mà mà mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bít đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bít cố định Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên hai trục Re (thực) và Im (ảo) Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của sóng mang Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc.

Trong thực tế, các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân, được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DA để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản

Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biến đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong ký hiệu OFDM, sau khi giải định vị

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản hệ thống OFDM

Kênh vô tuyến

Dữ liệu vào Điều chế

M-QAM

Chuyển đổi P/S

Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Khối phát

Chuyển đổi S/P

Chuyển đổi S/P

Loại khoảng thời gian bảo vệ

Giải điều chế M-QAM M-PSK

FFT

Dữ liệu ra

Khối thu

Chuyển đổi P/S

(Demapping), xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại, để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền

1.2.3.3 Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ

Trong thực tế, khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo hai ký hiệu thì không chỉ có nhiễu giữa các ký hiệu (ISI), mà cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI) Để tránh nhiễu này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) trước mỗi ký hiệu, để đảm bảo thông tin là đến từ cùng một ký hiệu và xuất hiện cố định

Do khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu và gồm 2 phần: Một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời kí hiệu nhờ tách sóng đường bao

Thực chất khoảng thời gian bảo vệ là khoảng thời gian trống, không mang thông tin hữu ích, vì vậy, cùng chế độ phát, khoảng thời gian này càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, nhưng khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả Sau khi chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu được biến đổi trở lại dạng nối tiếp là tín hiệu băng gốc trong truyền dẫn OFDM

1.2.3.4 Khối kênh vô tuyến

Mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, và cho phép điều khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N, nhiễu đa đường và cắt công suất đỉnh Tỷ số S/N được lập bằng cách thêm một số lượng nhiễu Gauss trắng cộng đã biết vào tín hiệu

1.2.3.5 Khối thu (Receiver)

Nguyên tắc hoạt động của khối thu (Receiver) ngược lại khối máy phát (Tranceiver), do đó, khoảng thời gian bảo vệ sẽ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc đã phát Góc pha của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải điều chế pha thu được Các từ

số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích thước giống nhau như ban đầu Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM tốt

Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký hiệu OFDM và để đồng chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải điều chế Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được thực hiện đủ chính xác, thì dẫn đến mất tính trực giao của các sóng mang con do nhiễu ISI và ICI.

1.2.4 Ứng dụng OFDM trong các hệ thống thông tin

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được ứng dụng rộng rãi trong những năm cuối thập niêm 90 của thế kỷ XX Nhờ có sự kết hợp của kỹ thuật xử lý số cùng với kỹ thuật vi điện tử, tạo ra được các vi mạch DSP có khả năng tính toán nhanh, giúp tạo tín hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả Do đó, kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin như: Hệ thống phát thanh số (DAB), hệ thống truyền hình số (DVB), mạng Lan không (Wireless LAN), mạng di động thế hệ 4G…[ 27, 25]

1.2.4.1 Hệ thống phát thanh số (DAB)

Hệ thống phát thanh DAB là chuẩn truyền dẫn phát thanh số Chuẩn này

đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế giới Hệ thống phát thanh DAB

có chất lượng âm thanh cao, không có nhiễu, dễ dàng trong sử dụng, không hạn chế khả năng mở rộng mạng và phát triển dịch vụ Ngày nay phát thanh số không chỉ phát triển phát thanh số mặt đất mà còn phát triển phát thanh số qua vệ tinh Lấy thí dụ, tại nước ta, Đài truyền hình kỹ thuật số VTC, phát một số kênh Radio của Đài tiếng nói Việt Nam qua hệ thống truyền hình số mặt đất, và Đài truyền hình Việt Nam cũng phát một số kênh Radio qua hệ thống truyền hình số

vệ tinh DTH

Chất lượng chương trình phát thanh số này tương đương chất lượng chương trình nghe đĩa CD-ROM DAB hỗ trợ truyền dẫn đa mục đích, ngoài khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được text, dữ liệu, và hình ảnh Ta

có thể vừa nghe nhạc, vừa xem lời bài hát đồng thời, cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình khí hậu trong ngày Hệ thống này hầu như đáp ứng được mọi dịch vụ của hệ thống phát thanh Analog như các dịch vụ tìm đường đi, tình

trạng giao thông, cao hơn nữa là có thể truy cập internet qua hệ thống này Với các dịch vụ khác nhau thì tín hiệu sẽ được mã hoá nguồn tuỳ theo tính chất nguồn tin, mã hoá chống lỗi và mã hoá kênh Tiếp sau đó, các dịch vụ được ghép kênh

trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Channel) Tín hiệu sau khi ra khỏi

MSC được liên kết với tín hiệu điều khiển ghép kênh và tín hiệu đồng bộ dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC), để tạo dạng khung truyền trong bộ ghép kênh Cuối cùng, OFDM được sử dụng để tạo dạng tín hiệu DAB gồm một số lượng lớn các sóng mang Tín hiệu sau đó sẽ truyền đi bằng sóng vô tuyến điện cao tần bằng các phương pháp điều chế thông thường Ví dụ như hệ thống truyền hình DTH có kênh Radio phát ở tần số đường xuống thuộc băng KU là 11540MHz, hệ thống truyền hình số mặt đất của VTC phát ở băng tần UHF (ở tần số 514MHz và 578MHz)

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều dịch vụ phát thanh số DAB phát triển với nhiều khách hàng khác nhau Máy thu tín hiệu DAB đã được thương mại hoá với nhiều chủng loại đa dạng Tín hiệu DAB qua bộ lọc tương tự, sau khi giải điều chế cao tần, được đưa qua giải mã OFDM và giải mã hoá kênh để thu được thông tin dạng tín hiệu số Những thông tin trong kênh thông tin nhanh (FIC) được đưa tới giao diện người sử dụng, cho phép lựa chọn các dịch vụ và các đường dữ liệu tương ứng Dữ liệu trong kênh dịch vụ chính (MSC), được xử lý trong bộ giải mã âm tần để tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải, hoặc trong bộ giải mã dữ liệu để tách thành các loại dữ liệu yêu cầu Bảng 1.1 mô tả 3 kiểu hệ thống DAB do EUREKA 147 định nghĩa Kiểu 1 được ứng dụng khi truyền với khoảng cách xa, ít vật cản, kiểu 2 và 3 dùng trong khoảng cách ngắn,

có nhiều vật cản và can nhiễu [25]

Bảng 1.1 Các tham số trong DAB

Băng thông 1,536 MHz 1,536 MHz 1,536 MHz

Chiều dài ký hiệu có ích

Lớp vật lý của các chuẩn trên đều nhằm đạt tới mục tiêu tối ưu hoá kênh truyền dẫn Truyền hình vệ tinh sử dụng đơn sóng mang dùng điều chế QPSK cho phép dịch tần Doppler lớn, và cho hiệu suất sử dụng năng lượng cao Nhưng kiểu truyền này không thích hợp với truyền dẫn mặt đất bởi nhiễu đa đường làm giảm tốc độ truyền đơn sóng mang

Do sự truyền tải của hệ thống truyền hình số trên mặt đất tương đối đặc biệt, và hiện tượng phản xạ nhiều lần tín hiệu, can nhiễu rất nghiêm trọng Nên

kỹ thuật OFDM được sử dụng trong chuẩn truyền hình số mặt đất (DVB-T) Truyền hình số DVB-T có hai kiểu khác nhau với số lượng sóng mang OFDM khác nhau như trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Các tham số trong DVB-T

Chiều dài ký hiệu có ích (ts) 224 µs 896 µs

Khoảng bảo vệ ts/4 ts/8 ts/32

56µs 28µs 28µsTốc độ truyền thông tin 4,98-31,67 Mb/s

Hiện nay, truyền hình số DVB nói chung và truyền hình số mặt đất nói riêng, đang rất phát triển trên thế giới Nó sẽ thay thế dần dần công nghệ truyền hình analog cũ Ở nước ta, Đài truyền hình kỹ thuật số VTC đang cung cấp truyền hình số DVB-T và đã phủ sóng hầu hết các tỉnh ở nước ta

1.2.4.3 Mạng Lan không dây (Wireless LAN)

Về cơ bản thì mạng LAN không dây hoạt động giống như mạng LAN truyền thống, điểm khác nhau là tại hai lớp DataLink và lớp MAC theo mô hình tham chiếu OSI mạng LAN không dây dùng giao tiếp vô tuyến để liên kết các máy tính lại với nhau Mạng LAN không dây có khả năng truyền dữ liệu với tốc

độ cao, tải tập trung trong một thời gian ngắn Phạm vi hoạt động của mạng LAN không dây nhỏ, chỉ khoảng 150m, các máy trạm có thể cố định hoặc di chuyển với tốc độ thấp Mạng LAN không dây thế hệ thứ nhất hoạt động dựa trên những giao thức đóng độc quyền của mỗi nhà sản xuất thiết bị Phần lớn các thiết bị đều hoạt động trong dải thông tần 26 MHz tại băng tần 900MHz và sử dụng kỹ thuật trải phổ, tốc độ cho phép đạt được từ 1-2 Mbps Sự thiếu chuẩn hoá trong các sản phẩm tạo nên chi phí phát triển sản phẩm cao, khả năng mở rộng hạn chế và một thị trường nhỏ hẹp cho các sản phẩm đơn lẻ Do đó có rất ít các nhà sản xuất thu được thành công

Hiện nay, các thiết bị Lan không dây, thường được chế tạo tại Mĩ theo các chuẩn 802.11 như 802.11a, 802.11b, 802.11g Trong đó, chuẩn 802.11b, hoạt động tại băng tần 2,4 GHz với dải thông tần 80MHz Theo chuẩn này, khuyến nghị dùng kỹ thuật trải phổ, tốc độ trong mạng đạt 1,6 Mbps, khoảng cách tối đa

là 150 mét Chuẩn thứ hai là 802.11a, được hoạt động tại dải thông tần 300MHz, tại băng tần 5GHz, sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang, tốc độ có thể đạt được từ 20-70Mbps Chuẩn khác là 802.11g, cũng khuyến nghị sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép sử dụng tại hai băng 2,4GHz và 5GHz tốc độ

cho phép lên tới 54Mps Tại châu Âu, mạng LAN không dây được phát triển dựa theo chuẩn HiperLAN (high performance radio LAN) Chuẩn HiperLAN’/1 cũng tương tự như chuẩn 802.11a cho phép tốc độ đạt được 20 Mps với khoảng cách nhỏ hơn 50 mét Chuẩn HiperLAN/2 cho phép đạt được tốc độ cao hơn lên tới 54Mps, đồng thời hỗ trợ các giao thức cho phép truy nhập tới mạng di động, mạng ATM.

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật chuẩn 802.11 và HiperLAN

Băng tần hoạt động 2,4 GHz 5,2 GHz 5,2 GHz

Phương pháp ghép kênh CSMA/CA CSMA/CA TDMA

Tốc độ bit kênh 5,5 hoặc

11Mb/s

6; 9;12 ;

và 54Mb/s

6; 9; ; và 54Mb/s

Bảng 1.4 Thông số vật lý chuẩn HiperLAN2 và 802.11a

Băng thông kênh con 312,5 kHz

Chiều dài ký hiệu có ích 3,2

Chiều dài đoạn bảo vệ 0,8

Kiểu điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Điểm khác nhau chính của IEEE 802.11a và HiperLAN2 là trong phần điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC) Chuẩn IEEE 802.11a sử dụng MAC dựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập sóng mang thông minh có ngăn chặn xung đột (CSMA/CA) Trong khi đó HiperLAN/2 sử dụng MAC được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian, kèm chỉ định khe động (TDMA/DSA)

1.2.4.4 Hệ thống thông tin di động 4G

Mạng thông tin 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin đi dộng không dây, 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu mà mạng 3G không đáp ứng được Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Blutooth… đồng thời hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất cá nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao Trong số các phương pháp điều chế đã được nghiên cứu, OFDM nổi lên với những ưu điểm như hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho hệ thống thông tin di động 4G trong tương lai gần [25]

1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM

1.3.1 Mô tả toán học

Đặt vấn đề:

Cho một tập các hàm số {f n (t), với n = 1, 2, 3…, k}, các hàm số được gọi là

trực giao với nhau nếu chúng thoả mãn điều kiện:

dt t f t

f n m

0)

()

Tập các hàm số thoả mãn điều kiện trên gọi là tập hàm trực giao Nếu k=1

họ hàm đã cho là tập hàm trực chuẩn Tức là tích phân của bình phương mỗi hàm đều bằng đơn vị

Trực giao có ý nghĩa là các hàm số này không ảnh hưởng lẫn nhau hay không gây nhiễu lên nhau, giữa chúng không có mối quan hệ ràng buộc hay phụ

thuộc Một số tập tín hiệu trực giao như tập hai hàm sin(ωt) và cos(ωt).

Một tín hiệu s(t) có thể được biểu diễn dưới dạng một dãy hàm trực

=

k k

k f t s t

s

1

)()

(

Trong đó, s k là hệ số trong phép xấp xỉ tín hiệu s(t) Sai số do phép thay thế tín hiệu s(t) bằng một tập các giá trị s k là e(t) = s(t) - s”(t) Các hệ số s k phải được chọn sao cho năng lượng của tín hiệu sai số εe là nhỏ nhất

2 1

) (

"

) (

k k k

(1.4)

Ở đây n = 1, 2,…, N

Từ điều kiện tập hàm {f k (t)} là tập hàm trực giao, rút gọn biểu thức (1.3),

ta thu được các hệ số của chuỗi {s k } thay thế tín hiệu s(t).

N k k

k f t s t dt s s

dt t s dt t s t e

1

2 1

s

1

)()

Việc biểu diễn tín hiệu bằng tổng tuyến tính của một chuỗi hàm trực giao

có thể dùng để phân tích các đặc điểm tính chất, khả năng chống can nhiễu của

dạng tín hiệu đó với kênh truyền dẫn… Nhưng cũng có thể dùng kết quả đó để tổng hợp được tín hiệu cần truyền từ các tập tín hiệu đơn giản trực giao với nhau, tín hiệu thu được giữ được các tính chất chống can nhiễu, đồng thời các thành phần con không gây can nhiễu lên nhau trong tín hiệu tổng.

1.3.2 Điều chế đa sóng mang trực giao

1.3.2.1 Điều chế đa sóng mang

Dạng đơn giản nhất của điều chế đa sóng mang, dữ liệu được chia thành nhiều luồng nhỏ, để truyền qua các kênh con trực giao với nhau, tại các tần số sóng mang khác nhau Số lượng sóng mang được lựa chọn, sao cho độ dài ký tự tại các kênh con, lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con, hay băng thông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền Điều kiện đó ngăn chặn nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu trong mỗi kênh truyền con Hình 1.3 mô tả hiệu quả của chống nhiễu ISI trong hệ thống điều chế đa sóng mang Với cùng tốc độ cần truyền, khi số lượng sóng mang tăng, làm giảm tốc độ

dữ liệu trên mỗi kênh truyền và tăng độ dài của mỗi ký hiệu Điều đó có nghĩa là

tỉ số nhiễu (ISI) trên mỗi ký hiệu sẽ giảm nhỏ khi mà số lượng sóng mang tăng Với hệ thống đơn sóng mang, đáp ứng của các bit bị chồng lấn lên nhau, nhiễu

ISI lớn Giả sử một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông

B Giả thiết rằng kênh truyền là kênh fadinh lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh truyền (B c ) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (B c < B) Băng thông của hệ thống được chia nhỏ thành N kênh truyền con, mỗi kênh truyền con có băng thông B N =B/N <<B c, cho phép ngăn chặn nhiễu fadinh trên mỗi kênh con Tương

ứng trên miền thời gian T N ≈ 1/B N >> 1/B c ≈ T m với T m là thời gian trễ của kênh

truyền Do vậy nếu N càng lớn, thì độ dài ký hiệu càng lớn hơn nhiều thời gian

trễ kênh truyền, nên ngăn chặn nhiễu trên

Từ hình 1-4, tín hiệu điều chế đa sóng mang sẽ được tạo ra bởi hệ thống

này, dữ liệu gồm N đường khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để

sửa dạng tín hiệu thì chiều dài ký hiệu T N = ( )

N

B

β+1 với β là hệ số của xung Tín hiệu điều chế kết hợp của tất cả các kênh con được cộng lại để tạo dạng tín hiệu

phát s(t).

s i (t) = ( i i)

N i

1 1

(1.8)

trong đó s i là ký hiệu cần truyền trên sóng mang thứ i, φi là sai pha của sóng mang

thứ i, sóng mang thứ i có tần số f i = f 0 + i.B N với i = 0, 1, 2,…, N-1.

Khối định vị ký hiệu là khối chuyển đổi tương ứng một chuỗi bít thành ký

tự phức, khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi như QAM, QPSK,…

Hình 1.5 là phần thu của hệ thống điều chế đa sóng mang này Tín hiệu thu được gồm: tín hiệu phát và can nhiễu trong kênh truyền, được cho qua các bộ lọc

để tách ra tín hiệu tương ứng trong từng kênh con khác nhau Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tương ứng, và ánh xạ ngược các ký hiệu thu được, để thu được chuỗi bit của từng kênh truyền Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song liên kết các chuỗi bit của các kênh con khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu đã phát Xung sửa dạng bị giới hạn nên băng thông cần thiết cho mỗi kênh

con cần mở rộng thêm một lượng là

N

T

ε Vì thế, băng thông cần thiết cho mỗi

và băng thông tổng cần thiết cho cả hệ thống N sóng mang

Biến đổi nối tiếp - song song

-Hình1.5 Phần thu hệ thống MCM

Giải điều chế

Cos(2πf 0 t)

Cos(2πf 0 t)

Giải điều chế

Điều chế đa sóng mang được ứng dụng trong các hệ thống thông tin băng rộng, tại đó, băng tần dành cho hệ thống lớn (cỡ chục MHz), nên khi đó hàm truyền đạt của toàn bộ kênh truyền phụ thuộc vào tần số, việc khôi phục hàm truyền đạt sẽ rất phức tạp Khi ứng dụng điều chế đa sóng mang, thì các kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, nên có thể coi như hàm truyền đạt của từng kênh con không phụ thuộc vào tần số Trong khoảng thời gian giữa hai lần đánh giá kênh truyền có thể coi như hàm truyền đạt không đổi, hàm truyền đạt vừa không phụ thuộc tần số, vừa bất biến theo thời gian, tín hiệu dễ dàng được khôi phục lại như ban đầu.

1.3.2.2 Điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao OFDM

Cũng giống như điều chế đa sóng mang, điều chế đa sóng mang theo tần số trực giao chỉ khác tập các sóng mang trong điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM), là tập gồm các sóng mang trực giao với nhau và được thể hiện bằng

) 0 2 cos(

Ở đây: f o - Khoảng cách giữa các sóng mang,

T - Độ dài ký hiệu OFDM.

Hình 1.6 minh họa sự khác nhau giữa tín hiệu đa sóng mang thông thường

và tín hiệu đa sóng mang trực giao OFDM Với tín hiệu OFDM, sẽ tiết kiệm được 50% băng thông

với t còn lại

Tín hiệu OFDM được tạo ra giống như cách tạo các tín hiệu điều chế thông

thường Mỗi sóng mang được điều chế bởi số phức X n,m lấy từ tập các số phức

trong phép ánh xạ đa mức QAM, QPSK… của dữ liệu đầu vào Chỉ số m cho biết thứ tự của toàn bộ ký hiệu OFDM theo thời gian, m có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào Chỉ số n cho biết đó là sóng mang thứ n trong tập N sóng mang (n =

1, 2, …, N) hay chỉ số của ký hiệu dữ liệu trong một ký hiệu OFDM Một ký hiệu OFDM cần truyền là tổng của N tín hiệu sóng mang con đã được điều chế.

Ch.6 Ch.5

Ch.8 Ch.7

Ch.10 Ch.9

Tiết kiệm băng thông

50% băng thông được tiết kiệm

f

f

Kỹ thuật đa sóng mang thông thường

Kỹ thuật đa sóng mang trực giao

Hình 1.7 Minh họa tín hiệu OFDM

Trong miền thời gian, tín hiệu OFDM là tổng của các ký hiệu OFDM theo thời gian.

n

n m n m

m

m t X t mT x

t

Nhờ các sóng mang trực giao với nhau nên giữa các kênh con cạnh nhau,

có thể chồng phổ lên nhau mà không gây nhiễu giữa các kênh con với nhau (ICI)

Cos(2π5f0t)Cos(2π4f0t)Cos(2π3f0t)Cos(2π2f0t)

Hình 1.8 Tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu

Hình 1.9 Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

Trong phần 1.3.2.1 đã cho biết băng thông cần thiết cho mỗi kênh con

trong điều chế đa sóng mang là

N

T

)(1+β +ε

Khác với điều chế đa sóng mang

thông thường, trong điều chế OFDM các thành phần mở rộng phổ

N

T

)(β +ε

của các kênh con sẽ không ảnh hưởng tới băng thông của cả hệ thống, ngoại trừ hai kênh con đầu tiên và cuối cùng Do vậy băng thông của cả hệ thống là:

1.3.2.3 Khoảng bảo vệ (Guard Interval)

Trong điều chế OFDM, khoảng bảo vệ có ý nghĩa quan trọng Các sóng mang trực giao với nhau, ngăn chặn can nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu trong một kênh truyền dẫn và can nhiễu xuyên giữa các kênh con với nhau

Khi tín hiệu OFDM truyền đi trong kênh truyền dẫn vô tuyến, do hiện tượng can nhiễu đa đường, tín hiệu truyền đi không theo một đường truyền, mà truyền theo nhiều đường truyền khác nhau, với thời gian truyền khác nhau Tín hiệu tại máy thu là tín hiệu tổng cộng, nên có sự chồng lấn lên nhau của các ký hiệu OFDM, gây giao thoa giữa các ký hiệu OFDM với nhau Các ký hiệu OFDM liên tiếp nhau chồng lấn lên nhau trong một khoảng đầu tiên của mỗi ký hiệu

Để khắc phục phục hiện tượng trên, khoảng bảo vệ được đặt trước mỗi ký hiệu OFDM để chống nhiễu giao thoa của ký hiệu trước, nhưng không ảnh hưởng tới phần tin tức của ký hiệu sau Khoảng bảo vệ là phần copy một đoạn tín hiệu cuối của ký hiệu OFDM lên trước Khoảng bảo vệ này có tên vòng bảo vệ chặn trước [25]

Hình 1.12, minh họa khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM [7] Tại sao phải phức tạp tạo khoảng bảo vệ bằng cách copy đoạn tín hiệu OFDM từ sau lên trước,

câu trả lời nằm ở phương pháp xử lý số tín hiệu OFDM Thêm khoảng bảo vệ có thể ngăn chặn can nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) giữa các ký hiệu OFDM, nhưng bên cạnh đó năng lượng dành cho phát khoảng bảo vệ là năng lượng tổn hao, năng lượng không dùng để truyền thông tin, giảm hiệu suất sử dụng năng lượng Do đó cần phải cân nhắc trong khi thiết kế.

1.3.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM

Trong phần này, chúng ta giả thiết hệ thống OFDM có các thông số sau:

N sóng mang, chiều dài mỗi ký hiệu OFDM (bao gồm cả khoảng bảo vệ) là T,

và chiều dài khoảng bảo vệ là T g , băng thông của hệ thống W, khoảng cách

giữa các sóng mang là f 0 =

N

W

Tập các sóng mang của điều chế OFDM như

biểu thức (1.10), và được biểu diễn dưới dạng số phức như sau: e j f nt

0 0

e T t

nt f j n

ϕ π

Ở đây: ϕ0 là pha đầu của tín hiệu, với điều kiện của đoạn bảo vệ ta sẽ xác định được giá trị của ϕ0

Do đoạn bảo vệ là phần copy đoạn tín hiệu có độ dài T g từ sau ra trước

nên pha đầu của tín hiệu là pha của tín hiệu tại thời điểm T s -T g

ϕ0 = 2πf 0 n(T s - T g ) = -2πf 0 nT g (1.15)Như vậy ta có biểu thức toán biểu diễn tín hiệu khi có chèn thêm đoạn bảo

(

) (

2 0

T t e

T T t

g

T t n f j g n

π

với t còn lại

Tín hiệu băng cơ bản của mỗi ký hiệu OFDM và tín hiệu biểu diễn chuỗi tín hiệu OFDM theo thời gian vẫn như biểu thức (1.11).

)(

)(

)()

0

X t

x t

n m n m

nên hàm truyền đạt của kênh truyền có dạng h(τ, t) Tín hiệu nhận được sau khi

qua kênh truyền là tích chập trên miền thời gian của đáp ứng xung kênh truyền và

tín hiệu phát Với chú ý là độ dài kênh truyền thoả mãn điều kiện 0 ≤τ≤ T g, ta có:

=+

t d

t x t h t

t x t h t

r

0 ( , ) ( ) ( ))

()(

*)()

với η(t) là hàm nhiễu theo thời gian, nhiễu trong kênh truyền giả sử là

nhiễu trắng

Định vị tín hiệu

η (t)

Biến đổi song song - nối tiếp

Giải định vị tín hiệu

Tín hiệu thu tại phía thu được giải điều chế kênh con, bằng cách cho qua các bộ lọc có đặc tính chọn lọc sóng mang thích hợp, thực chất là các sóng mang được tạo lại và nhân với tín hiệu nhận được Dạng sóng của tín hiệu sóng mang tạo bởi bên thu có dạng:

)()

T

T

N n

n n

()

()()

,

0 0

φηφ

ττφ

Giả sử kênh truyền không thay đổi trong một ký hiệu OFDM thì hàm

truyền đạt của kênh truyền không phụ thuộc vào thời gian tức là h(τ,t) = h(τ).

()

()

1

φηφ

ττφ

T t n f j T

g

T t n f j T

T T

e d T T

e h d

( 2

0

) ( 2

0

0 0

0

)(

Nhận thấy rằng phần trong ngoặc của biểu thức (1.22) chính là đáp ứng

xung trên miền tần số của kênh truyền tại các tần số f = nf 0 = n

N

W hay đó chính

là biến đổi Fourier của h(τ) Vậy tín hiệu nhận được ứng với từng kênh truyền:

n T

T t n f j N

n

n n

g

dt t t dt

t H T T

e X

Y *( ) ( ) *( )

) ( 2 1

0

0

φ η φ

π

với t còn lại

T t n f j T

T t n f j N

n

n n

g g

g

g

dt t t dt

T T

e T T

e H

) ( 2 ) ( 2 1

0

0 0

φη

π π

SE

) ( 2 ) ( 2

T t n f j N

n n

n n U

g

T t n f j T

T t n f j N

e T T

e H X dt

T T

e T T

e H

g

g g

g

g

η

π π

π π

Từ (1.23) có thể thấy rằng: tín hiệu của kênh n ngoài thành phần có ích khi

n = n, còn có thành phần can nhiễu của kênh khác khi n ≠ n

Nếu bộ sóng mang tạo bởi phía thu không đồng bộ với phía phát, thì xuất hiện hiện tượng tín hiệu của một kênh con trong khối tín hiệu OFDM, có giá trị khác không tại sóng mang của kênh con khác, gây ra hiện tượng can nhiễu xuyên kênh giữa các kênh con (ICI) Điều đó có nghĩa là biểu thức tích phân trong thành phần ICI của (1.23) khác không

Nếu sóng mang tạo được bên phát đồng bộ được với bên thu, biểu thức tích phân trong thành phần ICI của (1.23) bằng không, thành phần can nhiễu xuyên

kênh bằng không Khi đó tín hiệu nhận được trong kênh thứ n:

n n n N

n

n n

)(

N

ni j

e n x N

ni j

e i X N

N (1.28)Với [n-k]N là [n-k] mod N, x[n-k]N là phiên bản tuần hoàn của x[n-k] với

chu kỳ N Dễ dàng nhận thấy rằng y[n] nhận được ở trên cũng tuần hoàn với chu kỳ N Từ định nghĩa của DFT, phép tích chập vòng trong miền thời gian

sẽ là phép trong miền tần số

DFT {y[n] = x[n] ⊗ h[n]} = X[i]H[i] 0 ≤ n ≤ N-1 (1.29)

1.3.4.2 Tạo tín hiệu OFDM bằng DFT

Tín hiệu OFDM là tổng của N tín hiệu sóng mang trên các kênh con có

biên độ khác nhau, nhưng tần số của các kênh con cách nhau một khoảng đều

đặn f 0 và tín hiệu OFDM thu được là tín hiệu được biểu diễn trên miền thời gian Qua đó cho thấy có sự biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, điều này tương đương với chức năng của phép biến đổi IDFT, vậy có thể dùng biến đổi IDFT như một công cụ để thực hiện điều chế tín hiệu OFDM được không?

Xem xét kỹ hơn ta thấy các kênh con có khoảng cách đều đặn nhau, điều này

giống với tập N điểm X[k] trong dãy N điểm trên miền tần số Lập một tập gồm N điểm X[k] bằng cách thay X[k] = X k,m với k = 1, 2,…, N và m có giá trị không đổi trong mỗi tập của X[k] Nếu lấy mẫu tín hiệu đó với tần số lấy

mẫu Tìm tập hợp x[n] gồm N điểm là kết quả của phép biến đổi IDFT của tập điểm X[k].

x[n] = IDFT{X[k]}= [ ] kn

N j N

k

e k X N

π

2 1

n s

e mT t g X T

có chu kỳ lấy mẫu là t m = f T N s

0

) (

2

1 N n

lt mT n f j m m n s

m s

e lt g X T

π

= g(lt m )= ∑−

1 0

2 1

2

1 N n

nlt f j nmT f j m n s

m

s e e

X T

π π

0

1 N n

N

nl T f j m n s

s

e X T

1 N n

N

nl j m n s

e X T

N

k

nk N j s

e k X

Chúng ta thấy (1.34) gồm hai phần, phần thứ nhất là hằng số không phụ

thuộc vào biến k, phần thứ hai có dạng giống biểu thức (1.31), biểu diễn IDFT của X[k] Tín hiệu của một ký hiệu OFDM có thể thay thế bằng N mẫu s m (kt m ) với k=1, 2,…, N Việc khôi phục lại tín hiệu tương tự OFDM có thể được thực

hiện bằng cách cho N mẫu đó qua bộ lọc có tần số cắt thích hợp Như vậy là

có thể thay thế phần tạo dao động và phần điều chế OFDM tương tự bằng khối thực hiện thuật toán IDFT (được thực hiện nhanh bằng IFFT) và bộ chuyển đổi A/D Với sự thay thế trên ta có thể biểu diễn tín hiệu như sau:

nk N j

e k X N

π

(1.35)

Biến đổi nối tiếp - song song

η (t) Input

(a)

Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống OFDM với hai phương pháp xử lý:

(a) Phương pháp xử lý tín hiệu tương tự (b) Phương pháp xử lý tín hiệu số

Chèn tiền tố

và biến đổi song song - nối tiếp

Biến đổi nối tiếp - song song

Máy phát

Điều

chế QAM

Với kênh truyền dẫn vô tuyến, sẽ luôn biến đổi theo thời gian, hàm truyền đạt của kênh truyền dẫn vừa phụ thuộc vào thời gian nhận tín hiệu, và độ dài kênh truyền dẫn tại thời điểm đó Nhưng trong mục 1.3.4.2, giả thiết rằng kênh truyền dẫn là không đổi trong khoảng thời gian của một ký hiệu OFDM,

vì thế hàm truyền đạt của kênh truyền dẫn chỉ còn phụ thuộc vào độ dài kênh

truyền Nếu rời rạc hoá hàm truyền đạt của kênh truyền với tần số lấy mẫu f m

(chu kỳ lấy mẫu t m) thì các mẫu của kênh truyền không đổi trong khoảng thời gian giữa hai ký hiệu OFDM Đáp ứng xung của kênh truyền khi rời rạc hoá là

{x[0], x[1],… x[N-1]} Giả sử chiều dài đoạn bảo vệ bằng chiều dài kênh truyền thì số mẫu của đoạn bảo vệ là µ + 1 và được định nghĩa là tập {x[N-

µ],… x[N-1]} bao gồm µ giá trị cuối của chuỗi x[n] Mỗi chuỗi đầu ra x[n] thì

µ giá trị cuối cùng được copy lên đầu để tạo bắt đầu của một chuỗi mới x~[n] với - µ ≤ n ≤ N-1, cấu trúc của một ký hiệu OFDM có đoạn bảo vệ trên miền thời gian như hình 1.14

Chuỗi tín hiệu x~[n] được truyền qua kênh truyền với đáp ứng xung được rời rạc hoá như trên, thì chuỗi số thu được tại đầu thu y[n] có chiều dài N-1 được định nghĩa là:

Cyclic prefix Orginal length N sequence

Hình 1.15 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài µ

ence