Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật này

Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Xây dựng chương trình C truyền đữ liệu giữa hai

máy tính bằng kỹ thuật OFDM

Sinh viên thực hiện: © NGUYEN DANG QUANG

Lớp ĐT5 - K50

Giảng viên hướng dẫn: THS NGUYÊN QUỐC KHƯƠNG

Hà Nội, 5-2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: - -.‹ -‹ Số hiệu sinh viên:

Khoá: Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành:

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: -222222222222252112.222.2 1

6 Ngày giao nhiệm vụ đ án: 2-52 2 S2 SE SE, SE Sàn kê se vs vớ

7 Ngày hoàn thành đô án: -25222222225222122112.1222121 1e

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống

thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó Các hệ thông

thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến Sử dụng triệt để phô tần là vấn đề cấp thiết Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông

vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điềm về về hiệu quả sử dụng phô tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao đề truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu

Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, ky thuật đa truy nhập OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ

Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường đại học Bách

Khoa Hà Nội cùng với sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo Ths Nguyễn Quốc Khương, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao

OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật

Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều

thiếu sót Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn Mong rằng

đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa

TOM TAT DO AN

Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói chung

và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao là OFDMA nói riêng Ta sẽ tìm hiểu về mô hình

hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM, phân tích ảnh hưởng của nhiễu lên hệ

thống vô tuyến, hiệu quả của việc sử dụng phổ tần trong hệ thống OFDM, đặc biệt là vấn đề đồng bộ trong hệ thống Qua đó xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card

âm thanh của máy tính Cụ thể đồ án được chia làm 5 chương như sau:

Chương 1: Những vấn đề chung

Chương 2: Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM

Chương 3: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM

Chương 4: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA

Chương 5: Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy

tính và kết quả

Abstract

In this thesis, we will consider about wireless information system and wireless

system which uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) in particular We will

go into details for OFDM system model, creating and receiving OFDM signal for transmit and receiver it, analyzing the effect of noise to wireless system, the efficiency

OFDM, OFDMA Thereby, we’ll build a model of OFDMA system with the

computer's sound card Project is divided into 5 chapters as follows:

Chapter 1: The general knowledge

Chapter 2: The basic characteristic of OFDM

Chapter 3: The synchronization in OFDM

Chapter 4: The synchronization in OFDMA

Chapter 5: Building a model of transmission and receiving data through the computer’s sound card with OFDM and results

MỤC LỤC

9089610003® 4

"y5 5 MỤC LỤC 2-2222 2SE12EE12E511221122111211122111211122111211122T12TTE 21121 rrrrrre 6

Chương 1 Những van dé CHUNG .:-1LSLIL 15

1.1 Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến - 2 2 ++++E++E++E+rx+rxerxrrs 15 1.2 Các hệ thống thông tin vô tuyến -2¿-2+©2+E+22EE+EEE+EE+EEEerErrrxerrrrrrrrr 17

2.1.1 _ Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang ¿2+ ©++x+2z+++xezzxezes 26

2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 27

2.2.1 _ Sự trực giao trong miễn thời gian của tín hiệu OFDM 31

2.2.2 Su truc giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM 5- 33

2.4 Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống và cách khắc phục -. - 36

2.4.1 _ Nhiễu ISI và cách khắc 0ó 0 36

2.4.2 Nhiễu ICI và cách khắc phục . ¿2 ¿2x xz+rxerrxezxesrreres 39

6

:n n ẢỒ Ầ 47

3.2.1 _ Nhận biết khung -2 2+2E2+EE2E222EE27121121E27171121221xE 48 3.2.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE -¿+sz+cxzsz 51 3.2.3 Bam du6i ldi thang du ccc ceccesceesseessecssesseessesssessesssessieeseessesseesseees 53 3.3 Dong bO ki tte cecceccesssesseessesssesseessesseesssessesseessestsesssessesssesssesseessessesssesseeeanes 55

3.3.1 Lỗi thời gian và thực hiện đồng ĐỘI Q 12x n St ryy 55

3.4 Dong b6 tan $6.0 eccecseecsesssesseessecssessscssecssesssessesssessessseessessesssessesesesseessees 65 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu +2 +++2EE+EE++EEEEEtrEtrrxrkerrreres 67

3.5 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ tới chỉ tiêu chất lượng hệ thống 74 3.6 Kết luận -22+c 2 L222112211222112211E 2111221121121 76 Chương 4 Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA -2-©2¿SE+2E£+£E+2EE£EzEEecrzrrreee 78

AD MG aU na 6 -4.‹£{g䟌,.,.,., H 78 4.2 Cơ bản về kỹ thuật OFDMA 22 2£2SE+EE22EE22EEE2E22EEE2EE2E2212Ecrrrei 78

4.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con -¿s2zz 5s 81 4.2.3 DAC GUGM eee ec ceecceecessecssesesscsssesesssvsstssssesecsusavsesstsssanessensseeteseeneee 84

Chương 5 Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết 1m .d44 93

5.3 Hướng phát triển hệ thống sesssesasscsssessusesssecusecssssesssccsssessuessisesseecssecsseessseeess 101 Két Ua 18005 “4 104

KÉT LUẬN CHƯNG 22222 ©2+222E22EE22EE122122112221121127112211 221 21.crkk 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 22-222 ©S2222S+2SE+‡EEE2EEEEEEEE22EE22E2EEEESExrrrkrrrrke 107

8

DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH HÌNH VẼ 2: 22SE22EEEE1221127112112711 2111211111211 9

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin

Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL 2 22©22+E22EE+2EE+2EE2£E+zEE+zEzvrsezrx 1

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến "

Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tẦn SỐ St ct tt E221 ckcrkrrrey 25

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM -2- 2-2222 ©E£2EE+EEE+EEtEEErEerrkerrrrrrree 28

Hình 2.2 Mô hình OFDM khi chèn pilot

Hinh 2.5 Hién tuong da duong gay nén nhiéu IS] ooo cece ceccesessecessessesesseeeeseeeeseeseees 37

Hinh 2.6 Chèn khoảng bao vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 1

Hình 2.9 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa số Kaiser =3.4 city 1

Hình 3.1 Quá trình déng b6 trong OFDM .cscscsesssessesssesssesssessesssesseessesssessecsseestesseees 1 Hình 3.2 Nhận biết khung truyOn .ccccecccecsesseessesssecseesseessesssessesssesseessesssesseessesssesseees 1

Hình 3.3 Tương quan theo ChuGi PN.u ccccccescsescsssssssessessessssesessssesssescsessssesseseeeeenees 50 Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 2- 2-22 ++2£E+£xzzzezrx 1

Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu -2-2¿©22+£ 222E£2EE22E2EEEEEEE2EEEECEEkerkrrrkrrk 1

Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan - - - 5+ 32+ 2+3 SE 2£ *#E+EE+EEeEErerrkrrrrreerrrreee 59

Hình 3.7 Hình dang dit li6u thre t6 .c.cceccceesseessssssssesssseesseccssecsseesscssseesssessieesseeessses 61

9

Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC . - + 1 Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tu dling FSC .cceccecsesssesssesseessesssessecssesssessessseesessseeseessess 63

Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR -2 ¿csc2czcccseeee 64

Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mắt đồng bộ 2- 2 22 +2sz+sz+rzr+ 66

Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mắt đồng bộ . - 67 Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mắt đồng bộ - 69 Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ đao động VCO - 1

Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP - ¿+ ©+£2+++x2EE£EEE22E2EEE221221111 22121 crkcrek 1

00060 1.8.9ì)13469)00) 1 1 0U 189000) 0 1 Hinh 4.2 OFDMA 011 1 Hinh 4.3 Cau tric song mang con OFDMA .sscssesssesesseseessesesssesecssessessesssssesssssessees 81

Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DLL - 22-2-2222 ++22EE+EEE+EE+EEE+EEt2rxerxerrrrrr 82

Hình 5.2 Giao diện chương trình phia truyen .c.cccsccscseesesssesseessesssessesssesseessessessee 96

Hình 5.4 Giao diện phía truyền khi chạy thật .- - + 5c Street 99 Hình 5.5 Giao diện chương trình phía nhận khi chạy thật «+ +++ 100 Hình 5.6 Điều chế thích nghỉ AOFDM cc::+22vvvvrertrrversrrrrrrrrrrrrrrrree 102

Hình 5.7 Ảnh file text truyền thử nghiệm - 22 + £+E£+EE+EvEEEzErExrrrrrrrre 104

10

Hình 5.8 Ảnh file text thu khi thực hiện -2- 2-2 E£2EE+EE++£EtzEEzEezrxerreerre 105

DANH SACH BANG bi) 00:09 can 11 Bang 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biỂU 575cc cccccrsrerkree 24

11 Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Adaptive Modulation and Codding

Additive White Gaussian Noise

Analog/Digital

B Bit Error Ratio

Block Error Ratio

Base Transceiver Station

C Code Division Multiple Access

Cyclic Prefix

Downlink

Digital Audio Broadcasting

Digital Phase Losked Loop

Digital Signaling Process

Digital Video Broadcasting —

Terrestrial

Digital/Analog

Frame control header

Frequency Division Deplex

Frequency Division Multiplexing

Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Ghép kênh da sóng mang trực giao thích nghi

Bộ chyên đồi Só/Tương tự

Khung tiêu đề điều khiển

Song công phân chia theo tần số Ghép kênh phân chia theo tần số

12

FFT Fast Fourier Transform

I

Engineers

M

T

Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Chuyén d6i Furier nhanh

Học viện của các kỹ sư điện và

điện tử

Nhiễu liên kí tự

Nhiễu liên kênh

Nhiễu đa truy nhập

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Bộ lọc trung bình bình phương tối

Điều chế biên độ vuông góc

Tần số vô tuyến

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm + nhiễu

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

Song công phân chia theo thời gian

13

Microwave Access

Zero Forcing

Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Ghép kênh phan chia theo thời gian

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy cập vi

ba

Bộ lọc ép không

14

(source coding) (channel coding) (modulation)

Kênh vô tuyến

(channel)

đích (source (Channel (Demodulation)

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin

Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn

tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh đề chống lỗi do kênh truyền gây ra Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế

đề có thể truyền đi được xa Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh

truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải

qua các bước ngược lại so với bên phát đẻ thu được tín hiệu gốc Chất lượng tín hiệu

15

thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau

Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến

Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến Môi trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau

e _ Truyền dẫn ớ băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn

Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gui ra

anten phat Song mang ban thân nó không mang tín hiệu có ích Tuy nhiên, nhờ sóng mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được

điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa Ở bên thu có thể khôi

phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin

Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép đề truyền tin Bề rộng phổ cho

phép là có giới hạn Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất

lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao đề đáp ứng các dịch vụ phức tạp Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước

hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất

Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thông có hiệu

suất sử dụng phổ cao Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề

rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất Đối với các hệ thông nhiều người sử dụng thì quản ly tài

16

nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho

hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ

thống phát thanh và truyền hình Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ánh

Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như

hệ thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm)

Có thé phan loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thắng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường

Đối với sóng chuyền động trong một môi trường, như sóng âm, nguồn sóng và người quan sát đều có thể chuyên động tương đối so với môi trường Hiệu ứng Doppler lúc đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này

Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn là

2, một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số ƒ:

Tương tự, khi nguồn đứng im còn người quan sát chuyền động:

17

TH (0.2)

Tức, khi nguồn sóng và máy thu chuyển động với nhau, tần số thu được sẽ khác tần số phát ra

¢ Co ban vé nhiéu trang AWGN

Nhiéu trang AWGN (Additive white Gaussian noise) 14 mot tin hiéu ngau nhién

cé mat d6 phan bé céng suat phang nghia 1a tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông và có phân bố Gauss Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng

vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng, trắng Tức là nhiễu này có mức độ ảnh hưởng

như nhau đối với mọi tần số

Đối với mọi hệ thống thông tin vô tuyến thì đều phải chịu ảnh hưởng của nhiễu

trắng

¢ Cơ bản về vòng khóa pha số PLL

Vòng khóa pha PLL là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp

dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào.Tín hiệu vào

có thể có dạng sin tương tự hoặc dạng SỐ

Kỹ thuật PLL được sử dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần SỐ, điều chế và giải điều chế, điều khiển tự động

Nguyên tắc hoạt động: hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và đại lượng ra là tần số và chúng so sánh được với nhau về pha Vòng điều khiển

pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào

và tín hiệu ra Nghĩa là PLL làm cho tần số ƒ› của tín hiệu ra VCO bám theo tần sé f,

cua tin hiéu vao

18 Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL

Khi không có tín hiệu v; ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại vạe(=0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên Jy Khi có điện áp vào, các khối sẽ hoạt

động theo chức năng và cho phép ta điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu

vào Đến khi tần số fvco bằng với tần số tín hiệu vào £„ ta nói bộ VCO da bat kịp tín

hiệu vào Lúc này sự sai lệch giữa 2 tín hiệu chỉ là sự sai lệch về pha, bộ tách sóng pha

sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự lệch pha giữa chúng đạt đến giá trị nhỏ nhất

e Cơ bản về chuỗi giả ngẫu nhién Pseudo Noise PN

Có nhiều loại chuỗi PN, được tạo ra từ các thanh ghi dịch có hồi tiếp Loại PN

hay được sử dụng có thé là chuỗi có độ dài (chu kỳ chuỗi) cực đại hay còn gọi là m- sequence (m-dãy hay chuỗi m) Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có cấu hình Fibonacci hay Galois (hai cau hinh nay về mặt toán học thì tương đương

nhau), được hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của

thanh ghi tham gia hay không vào mạch hồi tiếp Đa thức sinh là một đa thức nguyên thủy (primitive polynomial), khi đó chuỗi chip lối ra sẽ là một chuỗi PN có chu kỳ lặp

lại lớn nhất, là N = 2m - 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi

Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dạng thumb-nail,

một chu kỳ của nó có hai phần chính:

19

a) Trị của hàm tự tương quan chuẩn hóa giảm tuyến tính từ I xuống còn -1/NÑ khi biến tau (tau tré truyén dẫn trên các tuyến) tăng từ 0 tới Tc (Tc là độ rộng một

chip);

b) Trị của hàm tự tương quan là -1/N (không đổi) khi biến /zz tăng từ Te tới (N-

1).Tc

Nếu N rất lớn (nhờ sử dụng thanh ghi dịch có m lớn, trong các hệ thống CDMA

như IS-95 thì m = 42 với chuỗi mã dài dùng để phân biệt người sử dụng và bằng 15 đối với mã ngắn dùng đề phân biệt trạm BS) thì trong đoạn sau, hàm tự tương quan có thé xem 1a bang 0

Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số Các tín hiệu khi

truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ và do đó

gây ra hiện tượng đa đường Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường truyền, fading phang, fading chon loc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa đường, đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến

1.4.1 Suy hao truyền dẫn

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về

mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây và do phản xạ từ mặt

đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyên với tốc độ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở

rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một

vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích

mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (0.3) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R

20

a

P, = F,.G,G, 4zR (0.4)

_— P: Công suất tín hiệu thu được (W)

_ P.: Cong suat phat (W)

_ G, : D6 Igi anten thu (anten đắng hướng)

_ G,: D6 lgi anten phat

_ 4: bước sóng của sóng mang

_ R: ban kinh truyền sóng vô tuyến

Gọi Lạ; là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

L, (db) = P, (db) — P,(db) = -101g(G,) —101g(G, ) + 20 lg( f) + 201g(R) — 47, 6(db) ‘pt (0.5)

Nói chung chúng ta có thê xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tỉnh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến

liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông

tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn

phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với

nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHE, khi đó điều kiện về không gian ty do không được thoá mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:

L,,(db) = -101g(G,) -101g(G, ) — 20 Ig(h;¿) — 20 1g(Ay,s) — 40 1g(R) (0.6)

Với _ „¿, _ „<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station)

1.4.2 Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)

Đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu luôn có chướng ngại vật nên

sẽ gây ra hiệu ứng fading Khi đó, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau và

có độ trải trễ khác nhau và độ lợi cũng khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc

Có 3 trường hợp có thê xảy ra trên đường truyền Vô tuyến: hiện tượng phản xạ,

tán xạ và nhiễu xạ

21 Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến

Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phăng

Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có

chiều đài so sánh được với chiều đài bước sóng

Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài

bước sóng

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác

nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

các phần này khác nhau

nhau, hay biên độ của các thành phần là khác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các thành phần mà ta sẽ thu được

22

-_ Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha Tăng cường ở đây không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều hơn

- Tin hiéu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần

ngược pha

Ta xem xét 2 loai fading xem xét vé mat thoi gian

Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có thời gian truyền khác nhau Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó Đối với tín hiệu tần số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay pha tín hiệu Mỗi tín hiệu sẽ bị quay pha khác nhau Những tín hiệu này được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hay suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha

-_ Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên Sự

thay đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100 lần bước sóng) và phụ thuộc kích thước vật cán gây nên Sự thay đổi này

xảy ra chậm nên được gọi là fading chậm

Đây là 2 loại fading xem xét về mặt tần số Bước sóng tý lệ nghịch với tần số và

vì thế đối với đường truyền có định thì pha sẽ thay đổi theo tan số Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường là khác nhau nên sự thay đổi pha cũng sẽ khác nhau

Định nghĩa: Băng thông Coherent Bc là độ rộng băng thông Af khi hệ số đường bao kết hợp giữa 2 tín hiệu bằng một nửa giá trị lớn nhất của nó

1

ø(Œ ð)

Trong đó: 8: độ trải trễ tùy theo môi trường truyền vô tuyến

Băng thông Coherent:

23

1 1

= 0.8

Một số giá trị phô biến đột trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau

Báng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biếu

nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau

của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau Các kênh lựa chọn tần số được

gọi là kênh phân tán thời gian Bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung cũng bị thay đổi Tức tín hiệu truyền qua kênh này sẽ bị méo nghiêm trọng

thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có đặc tính fading như nhau Với fading phăng thì chỉ có biên độ của xung thay đổi Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần số vô tuyến Tuy nhiên, kênh truyền có thể được xem là bằng phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó

Hình 1.3 là một ví dụ về đáp ứng của kênh lựa chọn tần số Qua đó ta thấy ở các tần số khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng cả về biên độ và pha khác nhau và vì

thé sẽ khó có thể khôi phục dữ liệu một cách chính xác như ban đầu

Vấn đề fading lựa chọn tần số sẽ là vấn đề gây khó khăn trong việc dự đoán đường truyền khi truyền thông vô tuyến Nó gây ra méo tuyến tính Tuy nhiên, với kỹ thuật OFDM, bằng việc chia nhỏ tín hiệu thành nhiều sóng mang con để truyền, mỗi

24

óng mang con chỉ chiếm một dái tần hẹp đủ đề thỏa mãn không con bi fading chon lọc tần số mà chỉ bị fading phang nén da giải quyét được vấn đề này một cách dễ dàng

Y received

Chương 2 Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các

hệ thống thông tin vô tuyến

2.1.1 Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B Toàn hệ thống được điều chế trên I sóng mang duy nhat fy Tan sé lấy mẫu của tin hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là:

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc

tan số Tần số lấy mau rất lớn nên chu kỳ lây mẫu (độ dài 1 mẫu tín hiệu) sẽ rất bé

đường đối với tín hiệu thu là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên

nhiễu gây liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu

- Anh huong su phu thudc cua kénh theo tan số đối với chất lượng hệ thống

rất lớn

trường hợp điều chế đa sóng mang

Hiện nay, điều chế đa sóng mang chủ yếu được dùng trong hệ thống thông tin

bang hep, GSM

2.1.2 Phuong phap diéu ché da song mang FDM

Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (ghép kênh phân chia theo tần só), toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau

26

Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng:

B: bé rong ca bang tan hé thong (Hz)

By: bé rộng mỗi kênh phụ (Hz)

ảnh hưởng đến 1 số ít mẫu tín hiệu

Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kẻ

- Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể

- _ Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm

- D6 dai 1 mẫu tín hiệu tăng lên, do đó hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả

năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang

FDM

OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi sóng mang phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại Điều này cho phép đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phô

OFDM được sử dụng nhiều trong thông tin vô tuyến

27

Hình 2.1 cho ta thấy rõ ưu điểm trong việc sử dụng tài nguyên vô tuyến đó chính là tần số Các sóng mang con trong OFDM thì chống lắn lên nhau nên dải tần

mà kỹ thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với các kỹ thuật trước là đơn sóng mang và đa sóng mang không trực giao FDM

những sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục dữ liệu Phù

hợp thiết kế hệ thống băng rộng

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

chon lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng Các

hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn

sóng mang ICI có thể loại bỏ

chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chỉ phí thực hiện, hơn

nữa tín hiệu được điêu chê và giải điêu chê đơn giản

28

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

Ngoài những ưu điểm thì kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế

biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở cả phía phát và phía thu Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu trên năng lượng trung bình PARR cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital

va tir digital sang analog Việc rút ngắn tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

- Sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm hiệu suất sử

dụng phố do mang thông tin không có ích

sai số đồng bộ OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động

của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một

trong những nhiệm vụ thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM

Những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong tryền thông di động

Những năm 1990 OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh

số DAB và truyền hình số DVB

Hiện nay, kỹ thuật OFDM được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong

mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống thông tin di động thứ tư 4G Trong 4G, kỹ thuật OFDM sẽ được kết hợp với kỹ thuật

đa anten thu phát MIMO nhằm nâng cao dụng lượng kênh thông tin vô tuyến, hay kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập

WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tai đữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu

29

xuyên kí tự ISI gây bởi tín hiệu phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ là điều không tránh

khỏi.Các kỹ thuật sử dụng trải phô trực tiếp DS-CDMA trong chuan 802.11b rat dé bi ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường Còn OFDM st dụng kỹ thuật truyền song song nhiều

băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên nhiều lần Bên cạnh đó, OFDM

còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) lớn hơn thời gian trễ tối đa của

kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có thể đượcloại bỏ hoàn toàn

OFDM mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề nhiễu lựa chọn tần số qua việc sử dụng tín hiệu dẫn đường pilot được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin

Hình 2.2 Mô hình OFDM khi chèn pilot

Hình 2.2 mô tả mô hình của dữ liệu OFDM sau khi được chèn pilot cả về mặt

tần số và thời gian Dữ liệu pilot giúp ta ước lượng và cân bằng kênh truyền Bên cạnh

đó nó cũng giúp sửa lỗi sai pha tín hiệu và có thể sử dụng để thực hiện đồng bộ giữa bên phát và bên thu

D_f va D_t là những khoảng cách tương ứng về mặt tần số và thời gian chèn pilot Những giá trị này phải chọn thích hợp sao cho D_f phải nhỏ hơn độ sai lệch về

tần số cực đại của sự ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu Và D_t phải nhỏ hơn độ

sai lệch về mặt thời gian mà kênh ảnh hưởng

30

2.2 Su true giao trong OFDM (ORTHOGONAL)

“ORTHOGONAL” (Su true giao) chi ra rang cO một mối quan hệ toán học

chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống

FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp đề 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 tính toán đặt trước các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng

phô của hệ thống

Tuy nhiên có thé sắp xếp, tạo ra các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thé thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Nếu mắt tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ tạo ra sự

chồng lặp hỗn độn và làm cho đầu thu khó khôi phục lại hoàn toàn dữ liệu thông tin

ban đầu Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ

thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và thực hiện tích phân

trên một chu kỳ tín hiệu nhằm khôi phục lại đữ liệu ban đầu

2.2.1 Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM

ƒ„ : liên hiệp phức sóng mang phụ thứ m

k la hang sé không phụ thuộc vào T, n hoặc m

Trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thê viết là

/„) =exp(72Z /,')

Si = Sut Of = Sot Up

31 Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

Trong đó, to: tan s6 offset ban dau

Ta có thê chứng minh tính trực giao của các sóng mang con OFDM Xét biểu thức (2.4)

Khi n = m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vao n,m

Nếu các sóng mang con trực giao với nhau thì biểu thức (2.4) phải xảy ra nên

biểu thức (0.14) luôn đúng

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống

các tan số bằng một số nguyên lan 1/T (T la chu kỳ tín hiệu), thì chúng sẽ có tích phân

bằng 0 trên một chu kỳ tín hiệu Như vậy các sóng mang sẽ là độc lập tuyến tính hay trực giao với nhau nếu các sóng mang có độ giãn cách là 1/T

Trong thực tế khi thiết kế hệ thống, ta nhận thấy phép biến đổi Furier nhanh IFFT chinh là I biện pháp để chia tín hiệu thành những sóng mang con có tính trực giao với các sóng mang con còn lại

Công thức tính IFFT với chuỗi số chiều dài N:

Nt 2m2

n=0

Do đó, IFFT sẽ được sử dụng trong OFDM bên hệ thống phía phát Bên hệ

thống phía thu sẽ phải thực thực hiện việc giải mã ngược lại bằng cách sử dụng biến đổi FFT

32

2.2.2 Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

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

Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sinc (sin(x)/x) Trong

miễn tần số, mỗi sóng mang phụ OFDM có đáp ứng tần số là hàm sinc Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một khoảng thời gian cố định (Trrr) Thời gian symbol này tương ứng với khoảng cách tải phụ 1/Trrr (Hz) Dạng Sinc có một búp

chính hẹp, với nhiều búp bên có biên độ giảm dần theo tần số khi đi xa khỏi tần số trung tâm Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không

được đặt cân bằng theo các lỗ trồng tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chat trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi sóng mang phụ tương ứng với Nulls của các sóng mang phụ khác

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác (Hình dưới) Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miễn tần số do đó sẽ đạt được hiệu quả phô cao

33

Hình 2.3 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số

Hình 2.3 mô tả đáp ứng của mỗi sóng mang con có dạng hàm số Sinc Tại vị trí đỉnh phụ của các sóng mang con khác sẽ trùng với đỉnh búp sóng chính của sóng mang

xem xét Điều đó thể hiện tính trực giao về mặt tần số của tín hiệu OFDM

2.3 Mô hình hệ thống OFDM

Phía phát (Transmitter): mã hóa luồng đữ liệu số phát thee ma Gray đề giảm

tý lệ bít lỗi khi truyền, sau đó đÑQ#tditDiVdUDIEd) TIC V0NV HN VỚI Bie điễn dưới dạng các số ảo qua phép điêu chế BPSK, QPSK hoặc M-QAM Các sóng

mang con được lấy mẫu trong miền tần số Sử dụng phép biến đổi IFFT chuyển phô các sóng mang con vào miễn thời gian, mỗi sóng mang con trực giao với nhau Tín hiệu OFDM sau khi được đóng gói sẽ được xử lý tương tự nâng tần và truyền vô

tuyến

34

Máy thu (Receiver): Thực hiện đồng bộ và tiến hành ngược lại phía phát, giải

Serial

Xbits

Output Serial 3 Demapper | § $ Parallel Interval

Converter H 3 1 $, Converter Removal

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miễn tần số vì khó tạo ra một số lượng

lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miễn tương tự

ĐÌWđfŠfÏ, da liệu số càn truyền ở dạng fốïffếẾØđff6fiếffWfôiđfiiiiiivonii voi

với chiều dài dữ liệu có dinh BCU Saude << Te Se

35 Nguyễn Đăng Quang_ DT5-K50

QAM!) Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu BWWSWWBNEMUNINN nhờ sử

dụng phép biến đổi Fourier rời rạc đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT nhưng hiệu quả hơn nhiều Đề truyền tín hiệu OFDM, Wfff@WWioiutiiUi0i0 kía sẽ dược DNOUHODUGIOUUCAOUUIN dc đưa lên tan sé RF can

thiết

Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF

xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT)

2.4 Các nhân tố ánh hướng lên hệ thống và cách khắc phục

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các môi

trường kết nối đa dạng từ: Đường dẫn thăng LOS (Line of sight) đến đường dẫn bị che

khuất OLOS (Obstructed Line of sight) va khéng cé duong dan thang NLOS (Non Line of sight) Day chính là ưu điểm của OFDM Tuy nhiên, do làm việc với nhiều loại môi trường truyền dẫn khác nhau như vậy nên tín hiệu đa đường dẫn là tổ hợp của tín

hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu Các tín

hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách

đường đi và thường đến sau so với tín hiệu gốc (truyền thăng) Do không đến cùng

nhau nên xảy ra hiện tượng nhiễu Ngoài nhiễu do sự chênh lệch thời gian còn có nhiễu do sự sai lệch tần số giữa các sóng mang con làm mắt tính trực giao giữa chúng 2.4.1 Nhiễu ISI và cách khắc phục

ISI (Inter-Symbol interferenee), là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do

hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước

đó

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh fading trong miễn thời gian, tính bat ôn định của kênh gây ra sự giao thoa tín hiệu

Ảnh hưởng của ISI: gây ra sự nhận định sai kí hiệu, gây khó khăn trong việc

khôi phục tín hiệu gốc tại phía thu

36

Hình 2.5 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI Hình 2.5 chi rõ sự thu tín hiệu không như mong muốn ở phía thu Chúng ta sẽ

không chỉ thu duy nhất 1 ban tin hiệu gốc bên phát mà thu được nhiều bản sao của nó

Mỗi bản sao sẽ có độ trải trễ khác nhau Và tín hiệu sau sẽ chồng lên tín hiệu trước gây khó khăn cho việc khôi phục nếu ta không khử được nhiễu này

37

2.4.1.2 Giải pháp khắc phục ánh hướng cúa ISI

e _ Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Kí hiệu thứ N-I Kí hiệu thứN Kí hiệu thứ N+1

Hinh 2.6 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM

Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách copy phần cuối kí hiệu lên phần đầu của

cùng kí hiệu Nhờ đó tín hiệu sẽ có tính liên tục, không bị gián đoạn tại điểm nối, đảm bảo tính trực giao xuyên suốt Đồng thời có lợi dụng việc copy đó để thực hiện bước

đồng bộ kí hiệu qua phương pháp nhân tương quan

Chiều dài tổng của kí hiệu là T:ym»ạ = To + Tier, trong 46, Toymbor 1a tong chiều

đài của kí hiệu, Tạ là chiều dài của khoảng bảo vệ, và Tirer là kích thước IFFT được sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM

OFDM có thể khắc phục hoàn toàn được nhiễu ISI bằng việc dùng khoảng bảo

vệ Và theo hình 2.5, điều kiện để đảm bảo tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI

là:

max

T7 <T,<1T,

T,: khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu thu đữ liệu ở máy

thu cho đến khi thực hiện lấy mẫu tín hiệu

38

T¿: độ dài khoảng bảo vệ phải được áp dụng vào dữ liệu bên phát

Điều này là hiển nhiên, khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ trải trễ cực đại

thì symbol sau sẽ hoàn toàn không ảnh hưởng đến symbol trước do hiệu ứng fading đa đường Tuy nhiên, khoảng bảo vệ là khoảng dữ liệu không mang thông tin, là dữ liệu truyền vô ích nên tùy điều kiện môi trường đề chọn cho hợp lý, tiết kiệm băng tần 2.4.2 Nhiễu ICI và cách khắc phục

ICI (Inter-Channel Interferenee) là nhiễu xuyên kênh, là nhiễu phát sinh do tín hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau

ICI (Inter-Cell Interference) 1a nhiéu lién té bao hay nhiễu giữa các tế bào, là nhiễu phát sinh do tín hiệu cùng băng tần trên các tế bào (Cell) khac nhau trong mạng

di động gây nhiễu lên nhau

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con

Nguyên nhân chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và máy thu, có sự chuyên động tương đối giữa chúng Do tính chọn lọc tần số của kênh fading

Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể khôi phục chính xác như đã phát

Để hạn chế ảnh hưởng của ICI, người ta chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách

tuần hoàn và dùng pilot dẫn đường giúp ước lượng và cân bằng kênh khi khôi phục tín hiệu ở phía thu

39

2.4.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sớ sir dung ma Gray

Bắt kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm

và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ánh hưởng của tạp

âm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thông khác

Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệu quả sử dụng phố tần của hệ thống Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy thu Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là tạp âm trên chính kênh truyền ISI, ICI, IMD Nếu không làm giảm, không có biện pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và

không thê khôi phục

Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray

Mã hóa Gray là phương pháp mã hóa đữ liệu mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit Nhờ đó sẽ giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một kí hiệu đơn

Bảng 2.1 Bảng chuyển đối ma Gray

Giản đồ IQ (Imphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vecto truyền cho

tat cả các từ mã dữ liệu Mỗi từ mã dữ liệu phải được phân phối một vecto IQ duy

nhất Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau

40