đề tài kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian khối ứng dụng trong đa anten phát - đa anten thu - đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt dé các ảnh hưởng của kênh fa

MUC LUC CHUONG 1: TONG QUAN VE OFDM o cccssssssssssssssssssssessessssscsssesssscessecsssecess 1 IivLuii uc 6-34 1

1.6.2 Khối xen rẽ Interleaver - + Ss+SEkEEkEEEEEEEEEE1E 1121121111111 6

1.6.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ Sở 2-2 ©cs+c+cxzcxcee 6

1.6.4 IFFT/FFT 222c 22L 2221222212221 1c 7 1.6.5 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) ¿22+ ©2++2++22x+22x2EEEEEcrrerkrrrrree 7 1.6.6 _ Biến đổi cao tần RE -22- 2222212212222 cE.rcrrrrrrii 8 1.7 _ Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM o ceccecccccescessessesssesesssessessessessssessseeeeese §

CHUONG 2: DAC TINH CUA KENH TRUYEN VO TUYEN

2.2.2.2 Fading lựa chọn tần §Ố,, 222222222222222222122211111122222 xe, 14

2.2.2.3 Trải trễ (Delay Spread|) - +25: 5+ 2222x222 xerkekrkrrrrrrrrcer 15

2.2.3 Hiệu ứng DOppIÏ€r - 6 <1 TT TT HH nàn 16

2.2.5 Nhiễu liên ký tu IST

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI ¿22 ++2+2E+EE2EE+EE+EE+Exrxerxrrrrrs 18

2.2.7 Tiền tố lặp CP -++22e+2E2212211122117112112711211211211211 1 ce 19

2.3 Khoảng bảo vệ (GI)

2.4 Giới hạn băng thông của OEDM Sc 2c Se S2 He 23

241 Lọc bang thong cece ccceceeeseeseeseseceesecseeeeeseeesecseeseeseeeeeecseceeseees 24

2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FÏR c5 55+ s+ccseeseesee 24

2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 25

2.5 _ Kết luận chương ¿- 2+ 2¿22+2221221E221221127112211271221E 1121.221 cxe 26

Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THÓNG MIMO-OFDM 27

3.1 Giới thiệu chương:

3.2.3 Phân tập không gian : (+ 1h ng Hư 29

3.3.1 Khái niệm, lịch sử hệ thống MIMO : Q ĐQQ n2 HH SH in 29

3.3.2 Các mô hình của hệ thống MIMO :

3.3.2.1 SIMO - Single input multiple oufput -«+c<+xx+s<sx<<+ 30 3.3.2.2 MISO —- Multiple input single OuPUt( «+5 <<xcsecsecxx 31 3.3.2.3 MIMO —- Multiple input multipÏe oufput( «+ +«<<<+<+ 31 3.4 Cac phuong phap phan tap thu to cece eceeceeeeseeeeeeceeeaecaeeeeeeeneeeeaeeaes 32 3.4.1 Maximum ratio combining (MIRC) : 55s S+xsxsesrrssrsesee 32 3.4.2 Equal-gain combining (EGC) : -ó- «SH ngư 33 3.4.3

3.4.4 Threshold combining (TC) : - «6S + k*tE*E+tEkkskeeereeekeserskrke 34 3.5 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) : 35

3.7.1 Mô hình kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM ccse 4I

3.7.2 STBC trong MIMO — OFDM (STBC — OFDM!) c-< «+ 42

Chương 4: LƯU ĐÒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHÓNG

4.1 Giới thiệu chương: - c1 TT TT HH HH ng 45

4.2 _ Lưu đồ thuật toán: -:- 5s t SE E11211111211211711 1111111111111 1111 xe 46

“0 49

4.3.1 Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế: - 2-2 5zcccscxccsee 49

4.3.2 Mô phỏng BER của hệ thống MIMO không có OFDM: 50

4.3.3 Mô phỏng các hệ thống kết hợp OFDM: 2-©-¿¿ 5z2z2zxzzse2 51

4.3.4 Mô phỏng STBC trong hệ thống MIMO-OFDM:

4.3.5 Mô phỏng toàn bộ hệ thống:

4.4 Kết luận chương:

DACH SACH CAC TU VIET TAT

Nhiéu Gauss trang cộng

Tỷ số lỗi bit

Biến đồi Fourier nhanh

Biến đồi ngược Fourier nhanh

Đơn anten phat - Da anten thu

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Mã hóa không gian-thời gian khối

Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate

Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform

Phase Shift Keying

Quadrature amplitude modulation Cyclic Prefix

Digital Video Broadcasting Frequency Division Multiplexing Inter-channel interference

Inter-symbol interference

Multi-Input Multi-Output

Maximum Likelihook Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Peak to Average Power Ratio Single-Input Multioutput Signal to Noise Ratio

Space-time block code

LOI MO DAU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đây mạnh mẽ việc nghiên cứu và

triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai Hệ thống di động thứ

hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thê hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin đi động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di dong thé hé ba voi công nghệ tiéu biéu nhu WCDMA

hay HSPA là một tất yếu đề có thé đáp ứng được nhu cầu truy cập đữ liệu, âm thanh,

hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng

Mặc đù các hệ thống thông tin di động thể hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến

hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và

có thể sẽ trỡ thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE ( Long Term Evolution ) Các cuộc thử nghiệm cho thấy năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE

và khả năng thương mại hóa LTE trong tương lai Với LTE, người sử dụng có thể

truy cập tất cả các dịch vụ thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ

sở dữ liệu vv với một tốc độ cực nhanh Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ 3 ( 3G ) và mạng di động thế hệ thứ tư ( 4G )

Xuất phát từ những mục tiêu muốn cải thiện chất lượng tín hiệu truyền tải, cải thiện hiệu suất sử dụng, dung lượng đường xuống của hệ thống vì vậy chúng em

đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là “Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM”

Đề tài của chúng em bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về OFDM

Chương này của đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều

chế, giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các

khối Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ

thuật OFDM

Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô

tuyến Vì vậy đề hệ thống thu phát có thê khắc phục được những vấn đề này thì điều quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền

Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM

Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt dé các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lên

tín hiệu Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hình

Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi

thực thi hệ thống

Chương 4: Lưu đồ thuật toán và mô phỏng

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học và để kiểm chứng

lý thuyết, chương 4 thực hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật

phân tập phát và thu bằng chương trình MATLAB Từ đó rút ra một số nhận xét

Do những giới hạn về kiến thức của mình nên đồ án này vẫn chưa đề cập hết

các vấn đề và không tránh khỏi những thiếu sót

Rất mong được sự góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

CHUONG 1: TONG QUAN VE OFDM 1.1 Giới thiệu chương

OFDM (viết tắt cua Orthogonal Frequency Division Multiplexing) hay ghép

kénh phan chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, chống nhiễu giao thoa ký tự ISI và

giải quyết được các vấn đề đa đường

OFDM ngày này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông kỹ

thuật số băng rộng, như ADSL, VDSL, Wi-fi, Wi-max, 3G, LTE

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của

OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang,

đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Bên cạnh đó là các ứng dụng

và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

12 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu

độc lập từ những nguồn độc lập được tô hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc

lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), trong

kỹ thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số không

chồng lấn nhau Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và

N kênh được ghép phân chia theo tần số Để tránh giao thoa giữa các kênh, một băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau Điều này gây lãng phí băng

tần tổng Dé khắc phục nhược điểm này của FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ

chồng lắn, nhưng trực giao với nhau Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ là tần số của mỗi sóng mang phụ này bằng tần số nguyên lần của chu trình (T) ký hiệu,

đây là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tắt cá các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu

OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số

nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao cua điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần

số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoáng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau đề những tín hiệu được khôi

phục mà không giao thoa hay chồng phổ

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

giao về mặt toán học OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi

nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức

là dé truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ

Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:

Cấu tric mién tan s6 OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

v Sóng mang con đữ liệu cho truyền dữ liệu

* Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

vY Song mang con vé dung (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

Hình 1.2: Cấu trúc OFDM trong miễn tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài nguyên này được tô chức thành các kênh con (swb-channel) cấp phát cho người ding

@ song mang con din đường

® sóng mang con đữ liệu

k„: đáp ứng tần sô kênh

Hình 1.4: Cấu trúc lát OFDM

Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.3) Trong ki ty OFDM thir 1

và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miễn thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thir 1 va thir 3

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

Hinh 1.5: So dé hé thing OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song,

tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P:Serial/Parrallel) Mỗi dòng đữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC)

và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khói IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các

kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu

xuyên ký tự ISI đo truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc

phía phát định đạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyên đồi lên tần số cao để truyền

trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyền từ miền

thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó,

tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự địch chuyên về biên độ và pha của các

sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nói tiếp ban đầu

Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về chức năng của mỗi khối

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.6.1 Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng

thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng

cụ thể Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ

chấp nhận được Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiên lỗi,

còn được gọi là mã hóa kênh

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ đư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ

phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại

Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập

(convolutional code) Trong phần mô phỏng của đỗ án này, ta sử dụng mã chập đề

mã hóa kênh cho hệ thống OFDM

1.6.2 Khối xen rẽ Interleaver

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ

thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã

chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này

dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

1.6.3 Điều chế và giái điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp

thành các nhóm có Nụ; (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp

điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.6.4 IFFT/FET

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 con Dé lam được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,

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 thẻ 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 sin, 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

1.6.5 Tiền tố lip CP (Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ da

đường OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luéng dữ liệu vào được

chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của

trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm

khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao

cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thông tin, khoảng bảo

vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang

ICI Vi vay, ky tw OFDM st dung khoang bao vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn

nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký

tự, nó chuyên phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số

thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi

Fourier roi rac IFFT va FFT

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

Time

[Eon

Gi Data 1 G1 J Daa2 | ai | Path I

Lo [baat [ ao | Daa2 [ a ] Path 2 With

[ 6S! | Daat | G1 | Daa2 [ ao | Path 3 Guard Interval i FET window i

GI | Datai | GI | Data2 | GI | Pathe

T; Ten nsnsesessssE

No InterSymbol Interference

Hình 1.6: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau

Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM

Trong đó:

T, la chiều dài của khoảng bảo vệ

Tmax là trễ lớn nhất của ký tự

T, là khoảng thời gian chờ đề bắt đầu lấy mẫu tại máy thu

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax < Tx < Tg

Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang

tin tic trong ky ty OFDM

1.6.6 Biến đối cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có

tần số cao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản

nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RE

Để giám độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở,

đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM

Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở đạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, tức là chuyền sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT Các

dạng điều chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất

lượng truyền dẫn Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log;M và số

phức đ;= a„ + /b„ ở ngõ ra

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:

* Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các

sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phô

*_ Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường

bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

* Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ

sử dụng tiền tố lặp CP

Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợp

nên hệ thống OFDM có thẻ hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do

các hiệu ứng chọn lọc tan số ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương pháp giải

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghỉ trong các hệ thống đơn tần

*_ Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT đề thực hiện phép biến đổi

Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

+ Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu qua

1.8.2

trong các môi trường đa đường dẫn

Các nhược điểm cơ bán của kỹ thuật OFDM:

Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn Tín hiệu OFDM là

tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các

sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn,

dẫn đến PAPR lớn Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn

và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu Điều này làm giảm hiệu quả

sử dụng của các bộ khuếch đại cao tân

Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt

không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu

1.9 Ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệ

thống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đáp

ứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã Mãi đến 20 năm sau, với sự ra

đời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đã

được hiện một cách dễ dàng với chỉ phí rẻ và ứng dụng rộng rãi Ứng dụng đầu tiên

của OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trong

modem tốc độ cao và trong thông tin di động

pháp

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực

10

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM

thông tin vô tuyến hiện nay OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nó cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 5GHz ISM (dùng cho công nghiệp, khoa học kỹ thuật và y học) Chuẩn 802.11g vừa mới thông qua cũng sử

dung OFDM trong băng tần 2.4GHz ISM Ngoài ra OFDM còn được sử dung cho

WiMAX và cũng là sự lựa chọn cho hệ thống thông tin di động tế bào bao gồm 4G LTE va UMB (Ultra Mobile Broadband)

OFDM còn được sử dụng cho truyền hình số mặt đất như là DVB (Digital

Video Broadcasting) Một hình thức mới mới của truyền thông gọi là Digital Radio Mondiale dùng cho băng tần sóng trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹ thuật OFDM Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế cho

mạng di động thế hệ thứ tư (4G)

1.10 Kết luận chương:

Chương này đã trình bày những vấn để cơ bản của hệ thống OFDM Tuy nhiên

để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của

kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền Chương tiếp theo sẽ đề cập đến các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh

truyền

11

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYÈN VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và

máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu

được truyền theo tầm nhìn thắng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng

vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này 2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình

truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dai, do

các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thé làm suy giảm tín hiệu

Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến

2.2.2 Hiệu ứng đa đường

2.2.2.1 Rayleigh fading

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ

12

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

từ các vật cản như đổi, nhà cửa, xe cộ sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu

(hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên

độ tín hiệu thu bị suy giảm Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading Bang 2.1

chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phan bé Rayleigh

Xác suất của mức tín hiệu

Mức tín hiệu (dB) nhỏ hơn giá trị cho phép (%)

Bang 2.1 Sự phân bố lñy tích đối voi phan bé Rayleigh

2.2.2.2 Fading lwa chon tần số

Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng

do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa

đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng

hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :

v Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao

v Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng

mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ

xảy ra tại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC

14

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.2.2.3 Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín

hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đổi núi Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Trong hệ thống só, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA

truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kẻ Ảnh

hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu ky bit (bit time)

Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau

Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20s, do đó nhiễu liên kí tự

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Nhiễu ISI có thể được tối thiêu hóa bằng nhiều cách:

v Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM)

v Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA

2.2.3 Hiệu ứng Doppler

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng

về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi

chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi

là hiệu ứng Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ

chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức:

w

Trong đó Af là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu

vla téc d6 thay đối khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

fo la tan sé tin hiéu, c là tốc độ ánh sáng

Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chăng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tỉnh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp

2.2.4 Nhiéu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô

(inter-cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí ty ISI,

nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation

Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ

16

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là

loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cá băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian

Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết

các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các

loại nhiễunày thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

2.2.5 Nhiễu liên ky tự ISI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ánh hưởng của kênh

truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do

trải trễ đa đường Đề giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với

nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là

không thể thực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng

dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu

ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng đề nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ

ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có

nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự

OFDM với ký tự trước đó Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI,

phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

17

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.2.6 Nhiéu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tan số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự

dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận

được xem là nhiễu xuyên kênh như ở hình 2.5

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mắt tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị

nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Aly

dich tan số gây ra nhiêu

liên sóng mang ICI

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại tmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh 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 (multipath effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn

đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời

điểm khác nhau 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

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 postñx

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 nó 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

20

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.3 Khoang bao vé (GI)

Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá

trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác

định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM Khoảng

thời gian này gọi là Ór(hogonality Interval

Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vân đề trải trễ đa đường (multipath

delay spread) Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế

sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận Khoảng thời gian

có thể không chứa một tín hiệu nào cả Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực giao

nữa

Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng

truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mềm đẻo hơn CDMA khi giải quyết

van dé nay OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (pilot) được truyền đi cùng với dong tin hiệu thông tin Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thi OFDM còn có một lựa chọn nữa đề giảm tỷ

lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần

số đó

Dé co thé giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thông OFDM sử

dụng khoảng bảo vệ Việc sử dụng GI, cho phép OFDM có thể điều chính tần số

thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử

21

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

dụng tần số Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên,

đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ

symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm

cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi

truyền lan nhiều đường

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm

mở rộng chiều dài của đạng sóng symbol Symbol của OFDM chưa có bổ sung

khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có một

số nguyên lần các chu kỳ Việc đưa vào các bản sao của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn

2.4 Giới hạn băng thông của OFDM

Trong miền thời gian, OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sine

điều chế Mỗi symbol nằm trong thời gian xác định với hàm cửa số hình chữ nhật

Cửa số này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác định đáp tuyến được tạo ra Thời gian truyền OFDM khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ là cô định và pha thay đôi từ symbol này sang symbol khác đề truyền đữ liệu Pha tải phụ thì không

đối đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol Những thay

đổi đột biến giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tan sé

OFDM Spectrum, 52 subcarriers, No filtering

-60 40 20 0 20 40 60

Frequency (Normalised to Subcarrier Spacings)

Hình 2.8: Phổ của tin hiéu OFDM gém 52 tải phụ không có hạn chế băng thông

23

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.4.1 Lọc băng thông

Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành

dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ Trong OFDM, lọc

băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng Nhìn chung bộ lọc số cung cấp

độ linh hoạt, độ chính xác và tỉ lệ cắt lớn hơn nhiều lọc tương tự, do đó chúng hữu

ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM

Đáp tuyến tần số OFDM không lọc Tín hiệu OFDM được lọc băng thông Các tín hiệu này được lọc bằng đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùng phương pháp cửa số Do số tải phụ được dùng trong các hình là nhỏ có thể thấy roll off của bộ lọc FIR Trong thực tế, loại bỏ tất cả các búp sóng bên, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và giá thành cao và nó làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR của kênh OFDM Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu, và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICL Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ, tuy nhiên nó cũng làm

giảm tỉ số SNR hiệu dụng

2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR

Việc dùng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên đo tín hiệu OFDM tạo ra Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap cần thiết tương ứng với:

N W, IFFT

t

24

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Trong đó,

Ntaps : số tạp trong bộ lọc FIR

Wt =: dé rong quá độ của hàm cửa số được dùng để tạo bé loc FIR

IFFT : là kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệu

Ft _ : độ rộng quá độ của bộ lọc chuNn hóa cho khoảng cách tải phụ

Ceil : phép làm tròn về phía lớn hơn Ví dụ: (1.1) = 2

Vi du dé tao tin hiệu cần lọc với bộ lọc 24 tap Điều này có thể tính từ đặc điểm

kỹ thuật tín hiệu Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFET là 64, do vậy IFFT = 64 Hàm cửa số Kaiser với độ rộng quá độ 3 được sử dụng, dẫn đến Suy

giải chặn (stop band) là 89 đB Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không

được lọc là - 20 đBc và sau khi lọc là -109 dBc Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ

được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là:

Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện

bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn

2.4.3 Ánh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

Trong thoi gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giam dang sine trong miền tần số Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM

thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng

trong miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng

khoảng bảo vệ có độ dài Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng IST bị loại bỏ

25