ứng dụng kỹ thuật ofdm trong adsl

Kỹ thuật OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh truyền có đáp tuyến tần số không phẳng, kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực

LỜI MỞ ĐẦU

Những năm đầu của thế kỷ XXI, được coi là kỷ nguyên của ngành công nghệ thông tin, ngành công nghệ thông tin phát triển một cách vượt bậc trên toàn cầu Các nước tiên tiến đã đưa công nghệ thông tin thành một ngành mũi nhọn cho nền kinh tế của mình

Một trong những phát minh mà đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế cũng như xã hội là công nghệ xDSL Công nghệ xDSL ra đời đã đáp ứng cho việc xử lý thông tin một cách chính xác, thuận lợi và nhanh chóng

Cuộc thâm nhập mạng thông tin toàn cầu internet của Việt Nam đã được bắt đầu

từ năm 1997 Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam đã quyết tâm xây dựng một mạng lưới viễn thông hiện đại trong đó đặc biệt ưu tiên cho phát triển internet

và ADSL là một trong những công nghệ được lựa chọn để phát triển

ADSL là một công nghệ cho phép truy nhập tốc độ cao qua mạch vòng thuê bao cáp đồng truyền thống, nếu so với các công nghệ truy nhập tiên tiến khác thì đây là một công nghệ khá đơn giản và tiết kiệm ADSL sử dụng kỹ thuật truyền thông tin bất đối xứng, nghĩa là tốc độ của đường hướng xuống và hướng lên là khác nhau Do nhu cầu của người sử dụng là down dữ liệu về nhiều hơn so với up dữ liệu lên đường mạng, chính vì vậy kỹ thuật ADSL cấp băng thông không đối xứng cho hướng lên và hướng xuống nhằm tăng tốc độ đường truyền và không vị lãng phí băng thông Đồng thời kỹ thuật điều chế chính của ADSL là DMT (Discrete Multitone Modulation- điều chế đa tần rời rạc) đã giúp cho đường truyền có thể sử dụng tối ưu các băng thông, tăng tốc độ truyền dữ liệu và khả năng chống nhiễu tốt DMT là một kỹ thuật điều chế dựa vào nguyên lý của OFDM (điều chế tần số trực giao)

Trong phạm vi đề tài “Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL”, người nghiên cứu trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM và kỹ thuật DMT trong ADSL, cụ thể gồm các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM

Chương 2: Một số vấn đề dồng bộ trong kỹ thuật OFDM

Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM

Chương 4: Đường truyền ADSL

Chương 5: Kỹ thuật DMT trong ADSL

Chương 6: Mô phỏng

MỤC LỤC

PHẦN A: GIỚI THIỆU

LỜI MỞ ĐẦU ii

MỤC LỤC iv

LIỆT KÊ HÌNH viii

LIỆT KÊ BẢNG x

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT xi

PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 4

1.3 Tính trực giao 6

1.3.1 Tính trực giao trong miền tần số 9

1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 14

1.4 Thông lượng kênh 15

1.4.1 Thông lượng kênh theo Shannon 15

1.4.2 Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM 16

1.5 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 17

1.5.1 Ưu điểm 17

1.5.2 Nhược điểm 17

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chương 20

2.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM 20

2.2.1 Nhận biết khung 21

2.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 22

2.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 25

2.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM 28

2.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot 29

2.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 31

2.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 31

2.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang 31

2.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM 34

2.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian 35

2.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số 36

CHƯƠNG 3 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM

3.1 Giới thiệu chương 40

3.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 40

3.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 40

3.2.2 Hiệu ứng đa đường 41

3.2.3 Dịch Doppler 44

3.2.4 Nhiễu AWGN 45

3.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI 46

3.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 46

3.3 Khoảng bảo vệ 47

3.4 Giới hạn băng thông của OFDM 50

3.4.1 Lọc băng thông 50

3.4.2 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 51

CHƯƠNG 4 ĐƯỜNG TRUYỀN ADSL

4.1 Giới thiệu tổng quan kỹ thuật xDSL 53

4.2 Kỹ thuật ADSL 56

4.2.1 ADSL là gì? 56

4.2.2 Cơ chế hoạt động và dải tần của ADSL 58

4.3 Ưu điểm của đường truyền ADSL so với PSTN và ISDN 60

4.4 Các thành phần của ADSL 61

4.5 Modem ADSL 61

4.5.1 Hoạt động của modem ADSL 62

4.5.2 Mạch vòng :Local Loop 63

4.5.3 Các thành phần ADSL từ phía nhà cung cấp dịch vụ 63

4.6 Giao thức kết nối giữa modem và BAS 65

4.7 Mối tương quan giữa thoại và ADSL 66

CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT DMT TRONG ADSL

5.1 Giới thiệu chương 70

5.2 Kỹ thuật điều chế CAP 70

5.3 Kỹ thuật điều chế QAM 71

5.3.1 Điều chế QAM 71

5.3.2 Giải điều chế QAM 72

5.3.3 Tập hợp vector điểm điều chế 73

5.4 Kỹ thuật điều chế DMT 74

5.4.1 Điều chế đa tải tin 75

5.4.2 Điều chế đa tần rời rạc DMT 77

5.4.4 Hệ thống DMT và các tham số của nó 81

5.4.5 Cân bằng cho DMT 82

5.4.6 Máy phát DMT 83

5.4.7 Máy thu DMT 83

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG

6.1 Giới thiệu chương 86

6.2 Mô hình đơn giản của hệ thống 86

6.3 Lưu đồ thuật toán mô phỏng 87

6.4 Sơ đồ các khối bên trong máy phát 88

6.5 Sơ đồ các khối bên trong máy thu 88

6.6 Kết quả mô phỏng 89

6.6.1 Chương trình mô phỏng với dữ liệu ngẫu nhiên 90

6.6.2 Mô phỏng với dữ liệu vào là hình ảnh 96

PHẦN C TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHẦN D: PHỤ LỤC 104

LIỆT KÊ HÌNH

Hình 1.1: Mô hình trực giao 7

Hình 1.2: Tích phân của hai sóng sine khác tần số 8

Hình 1.3: Tích phân của hai sóng sine cùng tần số 9

Hình 1.4: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ 10

Hình 1.5: Phổ của tín hiệu OFDM 13

Hình 1.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM 14

Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM 21

Hình 2.2: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO 24

Hình 2.3: Bám đuổi pha DPLL 28

Hình 2.4: Pilot trong gói OFDM 30

Hình 2.5: CP trong một symbol OFDM 33

Hình 2.6: Tín hiệu OFDM 34

Hình 2.7: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 36

Hình 2.8: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame 37

Hình 3.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 40

Hình 3.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz) 42

Hình 3.4: Trải trễ đa đường 44

Hình 3.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM 47

Hình 3.6: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ 49

Hình 3.7: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông 50

Hình 4.2 Thoại cơ bản sử dụng dải tần số từ 300 Hz tới 3,400 Hz 59

Hình 4.3 Dải phổ tần của ADSL 60

Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống cơ bản của ADSL 61

Hình 4.5: Modem ADSL 63

Hình 4.6: Thành phần ADSL tu phía nhà cung cấp 64

Hình 4.7: Nhiều modem ADSL nối đến DSLAM của nhà cung cấp dịch vụ 65

Hình 4.8: Giao thức kết nối giữa Modem và BAS 66

Hình 4.9: Tần số dùng cho thoại và cho internet 67

Hình 4.10: Thiết bị Splitters trên mạng 67

Hình 5.1: Sơ đồ điều chế CAP 70

Hình 5.2 : Mô hình điều chế QAM 71

Hình 5.3: Mô hình giải điều chế QAM 72

Hình 5.4: Tập hợp điểm vector điều chế 74

Hình 5.5: Phổ công suất của một tín hiệu đa sóng mang 77

Hình 5.6: Tín hiệu DMT được tạo từ QAM 77

Hình 5.7: Nguyên lý của DMT sử dụng DFT 80

Hình 5.8: Sơ đồ phát DMT 81

Hình 6.1: Mô hình hệ thống OFDM 86

Hình 6.2: Lưu đồ thuật toán mô phỏng OFDM 87

Hình 6.3: Sơ đồ các khối bên trong của máy phát 88

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 34

Bảng 3.1: Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh 42

Bảng 3.2: Các giá trị trải trễ thông dụng 44

Bảng 4.1: Các đặc trưng của họ công nghệ xDSL 53

Bảng 4.2 Khoảng cách tối đa cho phép của ADSL 58

Bảng 4.3 So sánh giữa ADSL với PSTN và ISDN 60

Bảng 5.1: Mối liên hệ giữa symbol và số mức QAM 74

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymetrical Digital Subscriber Line Đường dây bất đối xứng

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

BAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

CAP Carrierless Amplitude/Phase Modulation Điều chế biên độ/pha không sóng

CO Central Office Tổng đài nội hạt

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng

DFE Decision Feedback Equalizer Bộ cân bằng phản hồi quyết định DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DMT Discrete Multi-Tone Modulation Điều chế đa tần rời rạc

DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số

EOC Embedded Operation Channel Kênh vận hành nhúng

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourrier nhanh

FIR Finite Impule Response Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn HDSL High bit rate Digital subscriber line Đường dây thuê bao số tốc độ cao ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

ISP Internet Service Provide Nhà cung cấp dịch vụ Internet MCM MultiCarrier Modulation Điều chế đa sóng mang

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm -điểm

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

VDSL Very High Data Rate DSL DSL có tốc độ bit rất cao

DSLAM DSL Access Mutiplexor Bộ dồn kênh truy nhập đường thuê

PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chung

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền Kỹ thuật OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh truyền có đáp tuyến tần số không phẳng, kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con Luồng dữ liệu chính được chia thành những luồng dữ liệu con, mỗi luồng

dữ liệu con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau Chính điều quan trọng này làm giảm nhiễu xuyên kí tự giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Trong các sóng mang phụ thì sóng mang phụ này trực giao với các sóng mang phụ khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “0” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ (ICI)

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần

số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần

số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2B được cách nhau một

khoảng tần B để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu

đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV)

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang phụ khác nhau Các sóng mang phụ này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang phụ song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được

hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol kí tự OFDM Hình 1.2 so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM)

và đa sóng mang (MCM)

Giả sử BSCM và BMCM là băng thông của tín hiệu MCM và SCM Với MCM ta có

fk là tần số của sóng mang phụ thứ k, , Fk(f;t) là phổ tần của dạng xung của sóng mang phụ thứ k, NSC là tổng số sóng mang phụ và ∆f là khoảng cách giữa hai sóng mang phụ

Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau:

∑

=

= Nsc

k k MCM f t F f t S

1

)

; ( )

; ( (1.1)

Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu SCM và MCM được viết như sau:

k

k k

MCM MCM

SCM SCM

t f F t f H

t f S

t f H t

f R

t f S

t f H t

f R

1

)

;()

;(

)

;()

;()

;(

)

;()

;()

;(

1

)

; ( ) ( )

;

Trong đó Hk(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng Bk

Công thức (1.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số Việc khôi phục ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM

1.3 Tính trực giao

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao

là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các

bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được

dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có

sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao

về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basic) {Φi(t)/i = 0,1 }có tính chất sau:

( ) (

2

1

δ φ

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vector là bằng 0

∫ sin( ) = 0 (1.5)

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sine có tần số khác nhau thì quá trình này cũng bằng 0

Hình 1.2: Tích phân của hai sóng sine khác tần số

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sine Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sine không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

Hình 1.3: Tích phân của hai sóng sine cùng tần số

Nếu hai sóng sine có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của só luôn khác không Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số FFT

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng mang về “0” ngoại trừ sóng mang được nhân Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế

1.3.1 Tính trực giao trong miền tần số

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó

Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ của hàm

điểm “không” cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang Hiện tượng trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm “không” của các sóng mang khác về mặt tần số Hình 1.4 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi sóng mang phụ tương ứng với các giá trị “không” của tất cả các sóng mang phụ khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.4a, mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị “không” trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các sóng mang phụ không ảnh hưởng tới bộ thu do đó có tính trực giao giữa các sóng mang phụ

Hình 1.4: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ

(a) Mô tả phổ của mỗi sóng mang phụ (b) Đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang phụ (đường in đậm)

1.3.2 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sine, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

Quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1

Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f

Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là f0 = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra fk = n∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

∑−

=

∆ Π

0

2

) ( )

(

N k

ft k j

=

0

/ 2

) ( )

( )

(

N

k

N fT nk j s

N

n a a

s

e k X T

x n

Nếu thỏa mãn điều kiện ∆fT s =1, ( 1 )

s T

∆ , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này phương trình (1.7) được viết lại :

)

( )

(

1

0

/ 2

IDFT N

e k X n

x

N k

N nk j

a = ∑− =

=

Π

(1.8)

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng

có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, ta có :

N nk j N

n

a n e x n

*

) ( }

) ( {x )

N n

N m

N k m n j

( 2

N m

N n

N m N N k m n j

N

m

k m m

01

)(

n khi

n khi n

δ

Như vậy, với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác

biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :

• Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau Những tần số này được chọn sao cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,Ts] Tức là, phải thỏa mãn công thức sau :

l m

dt e X e

T

t j m

l s

0

ω ω

(1.10)

Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao Khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/Ts) Hình 1.5

cũng chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh

từ những kênh khác Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng bộ trong hệ thống

• Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật OFDM được sử dụng trong thực tế Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của

hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác

• Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT Tín hiệu vào bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có độ dài N Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N là :

2 (

1 , , 1 ),

( )

'

N N

n k N X

N n

k X k

Và

)0(Im(

)('

)0(Re(

)0(

'

X N

X

X X

=

=

Hình 1.5: Phổ của tín hiệu OFDM

1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu

kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Ta có Ts = Tg + TFFT

T s

Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1

Ts

Hình 1.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực nhằm duy trì tính trực giao

giữa các sóng mang phụ và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ

Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường:

t h

1

) (

)

Với : Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k

Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian

m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường

Tiền tố lặp CP có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép

và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI

và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì khi sử dụng thêm hậu tố sẽ làm giảm hiệu suất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền

1.4 Thông lượng kênh

Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua kênh mà không xảy ra lỗi Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu

1.4.1 Thông lượng kênh theo Shannon

Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau:

2

C = Blog (1 + SNR) [bps] (1.13) Trong đó C là dung lượng kênh, còn B là băng thông

Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi với trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này

1.4.2 Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM

Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (chung cách điều chế, mã hóa, cùng băng thông, và công suất như nhau …) Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là ∆f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

( )

( ) (R log M )B(T T ) (R log ( )M )B.FSR,

TfBMlogRT

NMlogRR

2 c sym

FFT 2

c

sym 2

c sym

sub 2

c tb

cụ thể của kênh

1.5 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM

• Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

• Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

• Kĩ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

• Cấu trúc bộ thu đơn giản

• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chương

Ở trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm về các nội dung chính của vấn đề đồng

bộ trong hệ thống OFDM Cụ thể là tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ, vấn

đề nhận biết khung, ước lượng và sửa chữa khoảng dịch tần số, điều chỉnh sai số lấy mẫu Ở đây sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: đồng bộ symbol, đồng

bộ tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và xét sự ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất hệ thống

2.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa

tần số (ISI) Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính

đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số Các hệ thống sử dụng OFDM dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác yêu cầu

các sóng mang phụ phải có tính trực giao

Khi các xung đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu chính xác thì hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng thời gian symbol Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời gian symbol gây nên nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính xác nhiều hơn khoảng thời gian symbol

Quá trình đồng bộ có 3 bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần số (pha), bám đuổi pha (Hình 2.1)

Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM

Trong quá trình điều chế và truyền tín hiệu trên các kênh thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu Do quá trình điều chế và nhiễu xuyên kênh nên các tham số tần số sóng mang và khoảng thời gian symbol không còn chính xác Do đó, cần phải ước lượng

và đồng bộ chúng Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu (ở bên ngoài) còn phải giải quyết vấn đề đồng bộ hóa (ở bên trong)

2.2.1 Nhận biết khung

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các symbol OFDM Đa số các sơ đồ định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định Những sơ đồ đó không thể cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp

Để nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hóa vi phân Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM Tại phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan

Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc vào trễ đa đường (được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu) Đỉnh tương quan lớn nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này dùng để định vị ranh giới symbol OFDM Do nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ đỉnh tương quan của chuỗi PN Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng hình sine Khi không có ước

Nhận

biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

đuổi pha

Ước lượng kênh

Giải

mã

lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa là chuỗi PN có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết

2.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số

Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu Khoảng dịch tần số là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sóng mang Để BER giảm không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang Điều này sẽ không khả thi khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động tinh thể thạch anh chất lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng dịch tần số nào

Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai symbol dẫn đường OFDM, với symbol thứ hai bằng symbol thứ nhất dịch sang trái Tg (Tg là độ dài tiền tố lặp CP) Các tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài symbol FFT) thì giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha e j2π(∆f C T) do khoảng dịch tần số

Khoảng dịch tần số được phân thành phần thập phân và phần nguyên:

∆ fcT = A + ρ (2.1)

Ở đây phần nguyên A và phần thập phân ρ є (-1/2, 1/2) Phần thập phân được

ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu cách nhau một khoảng thời gian T Phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận của hai symbol dẫn đường

2.2.2.1 Ước lượng phần thập phân

Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được tín hiệu như sau:

( ) ( ) ( )

)(

2

l z e

l s l

l T Δf π

y(l) : mẫu tín hiệu thu

l

e k C k U N

l s

2 1

0

)()(

1)

)(

N

l

N l y l y J

Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu như (2.4) J có thể được triển khai sắp

xếp lại thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian Định nghĩa phần lỗi ước lượng phần thập phân:

Hình 2.2 so sánh độ lệch chuẩn của lỗi ước lượng FOE giữa mô phỏng và tính toán tại các giá trị SNR khác nhau Sự mô phỏng trong kênh AWGN tại tần số sóng

mang f c = 2.24 GHz, với tần số sóng mang phụ N= 64, chu kỳ lấy mẫu T s =50ns, và

độ sai lệch dao động nội thạch anh là 100 ppm Khoảng dịch tần số là Δf c T = 0,7808 với phần nguyên là A = 1, và phần thập phân là ρ = -0,2192 Sự khác nhau giữa hai

đường cong tại SNR thấp là do bỏ qua xuyên nhiễu

Hình 2.2: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO

tại các giá trị SNR khác nhau

Từ (2.6) ta có thể tính xấp xỉ để giảm SNR do khoảng dịch tần số trong hệ OFDM, kết hợp kết quả đó với (2.7) và giả thuyết ước lượng phần nguyên luôn đúng Sự giảm SNR sau khi ước lượng và bù khoảng tần số được tính như sau:

10

110ln12

10)

Điều này là không đáng kể trong hệ thống có N lớn

2.2.2.2 Ước lượng phần nguyên

Đối với ước lượng phần nguyên, 2N mẫu tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài

là phần thập phân đầu tiên được bù:

) ( )

(

l j

∧

−

= π ρ l∈ [ 0 , 2N) (2.9)

Giả sử sự ước lượng phần ước lượng thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT:

e l

s ( ). 2π , l∈ [ 0 ,N) (2.12)

Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu, một ký hiệu FFT mới có thể được tạo

ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, tức là:

212

1 y 2 s z z y

) ( ).

( 1

) (

N

l

N

l n j N

l A j

e l z e

l s N

n

= { U(k) C(k)} k=mod( n−A,N) + Z(n) (2.14) Một chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận để ước

lượng xoay quanh phần nguyên A Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa

kết quả với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất xác định A

2.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE

Xét một hệ thống OFDM với một chu kỳ kí hiệu: T D = T g +T hoặc N D =N g +N

biểu diễn số mẫu tín hiệu Thừa số pha của khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu OFDM được biểu diễn:

) )(

( 2 )

)(

2 (

N

l N

N m A j N

l N

N m T f

e

Trong đó, m: chỉ số symbol, và l : chỉ số mẫu

Cho FOE đúng, khi đó thừa số pha sau khi bù khoảng dịch tần số là:

l j

N

N m j

N

l N

N m j

e e

e

D D

ρ ρ

−

N m

e − 2πε ρ trong (2.16) gây ra lỗi pha tín hiệu, còn số

l j

e − 2πε ρ gây ra nhiễu ICI

Vì thừa số là không đổi trên toàn bộ symbol nên nó có thể được bù trong miền tần số sau bộ FFT Tín hiệu FFT được biểu diễn:

),(),(),()

,(

2

k m Z k m C k m U e

k m

N m

− ) tăng tuyến tính trên các symbol

Có thể bám đuổi lỗi pha bằng cách dùng vòng khóa pha số DPLL Hàm truyền đạt của DPLL là:

2

) 1 ( 2 ) 1 (

) 1 ( 2 )

(

n n

n n

z z

z z

H

ω ηω

ω

ηω

+

− +

N

N

m D ρ πε

2

1

2

n n

n

ω ηω ω

η

20

1

n

(2.19)

Điều này phải thỏa mãn khi chọn các tham số DPLL

Để thực hiện tách sóng pha, phải ước lượng hệ số lỗi pha Vì hệ số lỗi pha là chung cho các sóng mang phụ nên được ước lượng sử dụng J

N

k

k m Y k m C k m U

Để tính J phải biết cả dữ liệu U(m,k) và các đáp ứng kênh C(m,k)

Tách sóng pha được thực hiện:

)(][arg)

21

Hình 2.3: Bám đuổi pha DPLL

Hình 2.3 cho thấy kết quả mô phỏng của hệ thống sử dụng DPLL với SNR là 3dB và lỗi FOE là ε ρ= - 0.017 Đường ô vuông biểu thị lỗi pha không được bám đuổi Pha được giới hạn trong đoạn [- π, π] Đường tròn biểu thị lỗi pha sau DPLL, gần như không đáng kể DPLL có ω = 6,25x10 n -2

và η = 1 , 25

2.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM

Việc đồng bộ ký tự phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP) thì việc thực hiện đồng bộ trở nên dễ dàng hơn nhiều Hai yếu tố được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang

• Có hai loại lỗi thời gian đó là lỗi định thời trong lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi nhịp (Clock drift) và lỗi định thời do symbol tự sinh ra do sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu ký tự thu Sự mất đồng bộ do lấy mẫu có thể khắc phục nhờ sử dụng xung đồng hồ lấy mẫu có độ chính xác cao Do đó, vấn đề lúc này là lỗi định thời symbol

Nếu lỗi định thời symbol đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong khoảng của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì nó sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Trong trường hợp lỗi này lớn hơn khoảng thời gian của CP sẽ xảy ra nhiễu ISI Khi đó sự đồng bộ được yêu cầu chặt chẽ hơn

• Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu

• Có hai phương pháp chính để đồng bộ symbol Đó là phương pháp đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot và phương pháp dựa vào CP Ngoài ra, còn có một phương pháp đó là đồng bộ khung symbol trên mã đồng bộ khung

2.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot

Phương pháp này đã được sử dụng cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, nghĩa

là các hệ thống OFDM được truyền dưới dạng điều tần Máy phát sẽ sử dụng mã hóa một số các kênh phụ với tần số và biên độ biết trước Sau này thì phương pháp này được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ Thuật toán đồng bộ gồm 3 bước: Nhận biết công suất (Power Detection), đồng

bộ "thô" (Coarse Synchronization) và đồng bộ "tinh" (Fine Synchronization)

Nhiệm vụ của việc nhận biết công suất là xác định tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng

Trong bước đồng bộ "thô", tín hiệu sẽ được đồng bộ lúc đầu với độ chính xác thấp bằng một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác trong bước này không cao nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo

Để thực hiện được sự đồng bộ "thô", người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan Tần số ước lượng của các điểm phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan

Trong bước đồng bộ "tinh", do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng của lỗi đồng bộ và đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong khoảng của CP (vì khoảng thời gian của CP phải lớn hơn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu) Vì vậy, lỗi pha ở các sóng mang của các kênh phụ chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính Khi đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng

Các symbol pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý Thông thường symbol pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM (Hình 2.4)

a) kênh fading phẳng tần số

b) Kênh fading chon lọc tần số

Hình 2.4: Pilot trong gói OFDM

2.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP

Xét hai tín hiệu thu cách nhau N bước:

d(m) = r (m) – r (m + N), (2.22)

Với N là sóng mang phụ N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của

symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp Nếu r(m) và r(m-N)

tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol OFDM,

d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan Công suất của d(m) trong

trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM