Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

Qua kết quả phân tích tại chương này sẽ cho thấy được mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số cơ bản của một hệ thống OFDM như: hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Viết Tam

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử

và thông tin liên lạc

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 9

1.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM 9

1.1.1 Mở đầu 9

1.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang 10

1.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 11

1.1.4 Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT 13

1.1.5 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang 14

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 16

1.2.1 Khối trải năng lượng 17

1.2.2 Bộ mã hoá kênh 17

1.2.3 Khối chuyển đổi nối tiếp - song song 17

1.2.4 Khối ánh xạ tín hiệu 17

1.2.5 Khối biến đổi IFFT 18

1.2.6 Khối chuyển đổi song song - nối tiếp 18

1.2.7 Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ 19

1.2.8 Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA 20

1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM 20

1.3.1 Hệ thống phát thanh quảng bá số (DAB) 21

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) 22

1.3.3.Wireless LAN 23

1.3.4 Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) 24

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM 26

2.1 Giới thiệu 26

2.2 Ước lượng tham số kênh 26

2.2.1 Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền 27

2.2.2 Cân bằng kênh cho hệ thống 29

2.3 Đồng bộ 30

2.3.1 Đồng bộ thời gian 30

2.3.2 Đồng bộ tần số 33

2.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM 34

2.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAR 36

2.4.1 Định nghĩa 36

2.4.2 Thuộc tính thống kê 37

2.4.3 Phương pháp giảm PAR 38

2.5 Kết luận 40

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM 42 3.1 Giới thiệu 42

3.2 Các nguyên nhân gây ra nhiễu pha 42

3.2.1 Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động 42

3.2.2 Nhiễu pha do sự sai lệnh tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát 44

3.3 Các phương pháp giảm nhiễu ICI 45

3.3.1 Phân tích nhiễu ICI 45

3.3.2 Phương pháp điều chế tự loại trừ (SC) 47

3.3.3 Phương pháp ước lượng giá trị xác suất cực đại (ML) 50

3.3.4 Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) 52

3.3.5 Kết quả mô phỏng và so sánh ưu, nhược điểm giữa các phương pháp 56

3.4 Phương pháp giảm nhiễu CPE bằng hồi tiếp 59

3.4.1 Nhiễu pha bộ tạo dao động 59

3.4.2 Thuật toán giảm nhiễu CPE (CPEC) 61

3.4.3 Kết quả đạt được khi áp dụng phương pháp CPEC 64

3.5 Kết luận 66

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Access

Truy nhập vô tuyến băng rộng

cố định

chung

Area Network, WLAN standard (Europe) based on OFDM, with maximum data rate of 54 Mbps

Chuẩn WLAN của Châu Âu cho OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

Estimation lỗi bình phương

IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

OFDM, with a maximum data rate of 54 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on

DSSS, with maximum data rate

of 11 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa

là 11 Mbps

Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao

đại

Modualtion

Điều chế biên độ cầu phương

WiMax Worldwide Interoperability for

Quá trình dừng theo nghĩa rộng

và tán xạ không tương quan

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ 34 Bảng 3.1 So sánh hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp giảm nhiễu ICI 59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 10

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM 11

Hình 1.3 Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM 12

Hình 1.4 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang con 12

Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 13

Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 14

Hình 1.7 Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình 16

Hình 1.8 Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ 19

Hình 1.9 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB 21

Hình 1.10 Sơ đồ khối máy thu DAB 22

Hình 1.11 Mô hình truyền thông mạng WiMax 24

Hình 2.1 Kỹ thuật nội suy tuyến tính 28

Hình 2.2 Kỹ thuật nội suy hàm Si và nội suy hàm đa thức 28

Hình 2.3 Bộ lọc Wiener 29

Hình 2.4 Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu 31

Hình 2.5 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong CP 31

Hình 2.6 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu ích 31

Hình 2.7 Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau 35

Hình 2.8 Một số không gian tín hiệu 36

Hình 2.9 So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng 38

Hình 2.10 Phương pháp dùng các dãy phát từng phần 40

Hình 3.1 Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động 43

Hình 3.2 Nhiễu ICI sinh ra do sự không ổn định của các bộ tạo dao động 43

Hình 3.3 Mối liên hệ giữa nhiễu ICI và số lượng kênh con trong hệ thống OFDM 44

Hình 3.4 Nhiễu ICI sinh ra do sai lệch tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát 44

Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 45

Hình 3.6 Mô hình hoá độ dịch tần ở phía thu 45

Hình 3.7 Các hệ số nhiễu ICI của một hệ thống OFDM có N=16 46

Hình 3.8 Thực hiện điều chế một ký hiệu dữ liệu trên hai sóng mang con 48

Hình 3.9 So sánh giữa các hệ số |S”(l-k)|, |S’(l-k)| và |S(l-k)| với N=64, =0,4 48

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng CIR khi sử dụng phương pháp điều chế SC 50

Hình 3.11 Cấu trúc bộ phát ML 50

Hình 3.12 Cấu trúc bộ thu ML 51

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng về độ dịch tần bằng phương ước lượng ML 52

Hình 3.14 Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB 56

Hình 3.15 PSD của tín hiệu nhiễu pha trong bộ tạo dao động 60

Hình 3.16 Thuật toán hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC) 63

Hình 3.17 Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz 65

Hình 3.18 Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz 65 Hình 3.19 Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz 66

MỞ ĐẦU

Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh quảng bá số, truyền hình số, hệ thống Wireless LAN, HiperLAN2, WiMax và đang được lựa chọn nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, kỹ thuật OFDM cũng cần phải giải quyết một số điểm cơ bản như: vấn đề ước lượng các tham số kênh truyền, vấn đề tỷ số công suất tương đối cực đại lớn, vấn đề đồng bộ

và đặc biệt là vấn đề nhạy cảm với nhiễu pha…

Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, Tôi đã chọn thực hiện luận văn “Nghiên cứu các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM” Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM

Chương này trình bày những đặc điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM, phân tích nguyên lý hoạt động của một hệ thống OFDM tiêu chuẩn và nêu một số hệ thống ứng dụng OFDM điển hình

Chương 2: Các vấn đề kỹ thuật chủ yếu nhằm giảm nhược điểm của hệ thống OFDM

Chương này phân tích các nguyên nhân cơ bản làm suy giảm chất lượng hệ thống OFDM và các phương pháp kỹ thuật tương ứng để làm giảm các nhược điểm này Ba vấn đề kỹ thuật chủ yếu được trình bày trong chương này bao gồm: vấn đề ước lượng tham số kênh, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm tỷ số công suất tương đối cực đại

Chương 3: Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

Đây là chương quan trọng nhất của Luận văn, sẽ phân tích chi tiết các nguyên nhân gây ra nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, các phương pháp giảm các loại nhiễu pha tương ứng và so sánh đánh giá hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp thông qua mô phỏng bằng Matlab Qua kết quả phân tích tại chương này sẽ cho thấy được mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số cơ bản của một hệ thống OFDM như: hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của hệ thống, chất lượng dịch vụ, giá thành thiết bị …

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM

1.1.1 Mở đầu

Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Để phục vụ cho “sau 3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng của IMT-2000 Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng chuyển động chậm Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin

Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên

Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth… đồng thời hỗ trợ các dịch

vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới Trong số các phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất

sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba và thứ tư

Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật điều chế đa sóng mang là chia luồng bít cần truyền thành nhiều luồng bít nhỏ để truyền trên nhiều kênh truyền con khác nhau Tốc độ dữ liệu trên các kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ dữ liệu tổng, điều này giúp tránh nhiễu xuyên giữa các ký tự (ISI) Băng thông của các kênh con nhỏ nên đáp ứng của kênh truyền có thể coi như không phụ thuộc tần số và làm giảm độ phức tạp phần khôi phục và cân bằng kênh truyền

OFDM, một phương hướng mở rộng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau Bên cạnh những ưu điểm

được kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều

1.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia thành nhiều băng tần con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau Hình 1.1 minh hoạ nguyên lý của phương pháp này [3]

Mật độ phổ năng lượng

B

f s

Tần số

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm N kênh con với bề rộng phổ của mỗi kênh con là:

N

B

Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần

so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang:

N T f

s

MC s

) ( )

Kết quả này dẫn tới tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

N

R T

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh con được phân cách nhau bởi một khoảng bảo vệ nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã ra đời

1.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, trong đó các sóng mang con được lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau Nhờ sự trực giao này mà phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau, điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn hệ thống tăng lên

rõ rệt Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.2 và 1.3 [3]

Mật độ phổ năng lượng

B

f s

Tần số

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM

Hình 1.3 minh hoạ nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hàm sin(x)/x Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của các kênh con còn lại Điều này làm nguyên lý trực giao thoã mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chống lấn lên nhau Hình 1.3 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần của hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với hệ thống FDM truyền thống [4]

Hình 1.3 Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con,

hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM

Phổ tín hiệu tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 1.4

Hình 1.4 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang

con

1.1.4 Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT [3]

bảo

vệ

m(t)

Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM

Xét bộ điều chế tín hiệu OFDM như hình 1.5 Giã thiết toàn bộ băng tần của

hệ thống B được chia thành N C kênh con với chỉ số của các kênh con là n

N  {-L, -L+1, …, -1, 0, 1, …, L-1, L}

Đầu vào của bộ điều chế là dòng dữ liệu {a l }được chia thành N FFT dòng dữ

liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ biến đổi nối tiếp/

song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i,n}lại được điều chế thành mẫu tín

hiệu phức đa mức {d k,n }, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N C bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song

saong, k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N C mẫu tín hiệu phức Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, … Các mẫu tín hiệu

{d k,n} lại được nhân với xung cơ sở g(t) với mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông Sau khi nhân với xung cơ sở, tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức ejLS t Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với

nhau, tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại thông qua bộ tổng và thu được tín hiệu như sau:

t jn n

t jn n

k

m t

Ở đây tín hiệu m’(t) là tín hiệu m’ k (t) với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay

cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô cùng

Tín hiệu m’ k (t) khi được chuyển sang tín hiệu số với tần số lẫy mẫu:

N B

Trong đó B là toàn bộ độ rộng băng tần của hệ thống Ở thời điểm lấy mẫu t=kT+lf,

S’(t-kT) = S 0 , do vậy phương trình (1.5) được viết lại như sau:

lf jn kT jn n L

L n

lf kT jn n S

, 0

) (

f k f kT

S S S

S  2 1  2 , kết quả là e jnS kT S=1, tương tự như vậy có thể triển

khai S S S FFT N FFT

nl j N

f

l f jn lf

jn

e e

e   2  2 , phương trình (1.8) được viết lại như sau:

N

nl j n S

Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở phương trình (1.9) trùng với phép biến đổi IDFT

Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi

IDFT Trong trường hợp N FFT là bội số của 2 thì phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT

Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT được thể hiện như hình 1.6

bảo

vệ IFFT

Bộ biến đổi song song/

nối tiếp

Bộ biến đổi số tương

tự

m(lf) m(t)

Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT

1.1.5 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang [6]

Hệ thống OFDM có hiệu quả giảm ISI hơn hệ thống đơn sóng mang sử dụng

bộ cân bằng miền thời gian, đặc biệt cho các kênh với trễ lớn, thuật toán FFT thực

hiện trong OFDM làm độ phức tạp tính toán giảm nhiều so với việc cân bằng miền thời gian trong hệ thống đơn sóng mang Tuy nhiên, với kích thước FFT lớn, một hệ thống đơn sóng mang có cân bằng miền tần số sẽ có ít phức tạp hơn cân bằng miền thời gian

Về khuếch đại công suất, nếu dãy số liệu được điều chế sử dụng PSK, tín hiệu ra của hệ thống đơn sóng mang có biến đổi đường bao ít Với hệ thống đa sóng mang, như OFDM, biến đổi đường bao lớn nên yêu cầu một bộ khuếch đại công suất hồi tiếp lớn, làm cho khuếch đại công suất không hiệu quả Do đó, bộ khuếch đại cho hệ thống đơn sóng mang có hiệu quả công suất cao hơn so với ở hệ thống OFDM

Thứ hai là tác động của mã hoá kênh đến hiệu năng hệ thống Hiệu năng của một hệ thống truyền thông thường được đo bằng BER với SNR xác định Xét trường hợp kênh fading lựa chọn tần số, với hệ thống đơn sóng mang sử dụng phương thức cân bằng miền tần số kênh được cân bằng trong miền tần số, tín hiệu được biến đổi về miền thời gian trước khi quyết định các bit Điều này nghĩa là năng lượng của một bit riêng biệt được phân bố trên toàn bộ phổ tần số Còn đối với một hệ thống OFDM, năng lượng của một bit riêng biệt chỉ chiếm một phần nhỏ của phổ tần số vì xử lý quyết định được thực hiện trong miền tần số Kết quả là với một rãnh V sâu tại một dải tần chính trên độ rộng băng kênh làm giảm năng lượng bit nhỏ đối với một hệ thống đơn sóng mang, nhưng với OFDM nó có thể ảnh hưởng lớn năng lượng bit tại một vài sóng mang con làm cho các bit trên các sóng mang con này là không tin cậy

Trong thực tế, BER cho hệ thống đơn sóng mang bị quyết định bởi SNR trung bình trên toàn bộ độ rộng băng tần của kênh, trong khi với OFDM nó bị quyết định bởi các sóng mang con có SNR nhỏ nhất Để giảm BER của OFDM gây bởi fading lựa chọn tần số, có thể lập về 0 biên độ các sóng mang con (gọi là sóng mang con ảo) mà tại các rãnh V sâu trước khi thực hiện IFFT ở phía phát Tuy nhiên nếu kênh phân tán thời gian, các rãnh V sâu sẽ xuất hiện ngẫu nhiên trên độ rộng băng kênh Trường hợp này, mã hoá kênh với khả năng hiệu chỉnh lỗi là cần thiết để làm cho các bit trên các rãnh V sâu đáng tin cậy hơn và giảm BER

Ưu điểm

- Hiệu quả sử dụng phổ tần cao do các sóng mang con chồng lên nhau

- Do chia nhỏ thành các băng hẹp nên các sóng mang con chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng, dễ cân bằng Một trong lý do chính sử dụng OFDM là tăng khả năng chống nhiễu băng hẹp và fading lựa chọn tần số

- Loại bỏ được nhiễu xen ký tự do sử dụng tiền tố vòng CP

- Cân bằng kênh đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng thích nghi sử dụng trong các

hệ thống đơn sóng mang

Nhược điểm

- Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiện tượng nhiễu pha khi mất tính trực giao giữa các sóng mang con gây ra do tính không ổn định của các bộ tạo dao động Việc nâng cao chất lượng các bộ tạo dao động có thể làm tăng giá thành của thiết bị tại máy phát cũng như thiết bị đầu cuối của thuê bao [15]

- Tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng bởi tạp âm biên độ với dải động lớn, do đó đòi hỏi bộ khuếch đại công suất RF có mức đỉnh cao so với tỷ số công suất trung bình

- Sử dụng tiền tố vòng CP tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân thành phần CP không mang thông tin có ích

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM [4]

Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình được cho như hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình

1.2.1 Khối trải năng lƣợng

Dòng dữ liệu đầu vào ở phía phát bao gồm 1 chuỗi các bit 0, 1 nhưng có trường hợp nó sẽ gồm 1 dãy liên tục các bit 0 hoặc bit 1 Vì thế năng lượng của chúng sẽ bị tập trung và sẽ không tốt cho quá trình truyền dẫn Để khắc phục vấn đề này thì ở phía phát dòng dữ liệu đầu vào được nhân XOR với 1 tín hiệu giả ngẫu nhiên đã được xác định trước Tín hiệu giả ngẫu nhiên PN này giống nhau cho cả phía phát và phía thu Phía thu, tín hiệu sẽ được xử lý tương tự như phía phát nhằm thu được tín hiệu gốc

1.2.2 Bộ mã hoá kênh

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, tín hiệu truyền đi sẽ chịu tác động của nhiễu, phađinh Những tác nhân này làm thay đổi thông tin được truyền đi Quá trình mã hoá kênh được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này Việc mã hoá kênh là quá trình thêm các dư thừa một cách có chọn lọc vào dữ liệu truyền đị nhằm tránh lỗi Khi thêm các dư thừa vào thông tin gốc, dải thông cần thiết cho nguồn dữ liệu

cố định sẽ tăng lên Tuy nó làm giảm hiệu suất dải thông của đường truyền khi SNR cao nhưng đổi lại sẽ có hệ số BER tốt khi SNR thấp Những mã có khả năng tìm và sửa lỗi được gọi là mã sửa lỗi: có 2 loại là mã khối và mã chập

1.2.3 Khối chuyển đổi nối tiếp - song song

Phía phát, luồng dữ liệu cần truyền đi là dòng bit nối tiếp với tốc độ cao sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con song song với nhau, tốc độ truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bit tổng, phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của hệ điều chế OFDM Chính điều này đã tạo nên hiệu suất chống ISI rất tốt cho hệ thống

1.2.4 Khối ánh xạ tín hiệu

Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang SSB thông thường trên các nhánh dữ liệu con Khi đó các nhóm n bit (2n = M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký hiệu M-QAM Thực chất của quá trình này là ánh xạ cụm n bit dữ liệu đầu vào thành một số phức trên giản đồ chòm sao M-QAM Như vậy, mỗi ký hiệu QAM sẽ mang trên nó n bit

dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn bằng các vectơ phức I-Q Tại nơi thu, vectơ I-Q được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu, quá trình đó gọi là giải điều

chế OFDM Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và do đặc trưng của kênh truyền không hoàn hảo, khi đó trên mặt phẳng I-Q các điểm chòm sao sẽ bị nhoè đi Bộ thu khi đó phải ước lượng gần đúng nhất vectơ truyền đi Lỗi

sẽ xảy ra khi nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm cạnh nhau trong mặt phẳng I-Q, khi đó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định OFDM cho phép trải dữ liệu

để truyền đi trên cả miền thời gian và miền tần số, sau khi đã sử dụng mã hoá kênh

để bảo vệ dữ liệu

Quá trình ánh xạ dữ liệu thành các ký hiệu thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, theo giản đồ chòm sao M-QAM Tuỳ theo dạng điều chế được lựa chọn, tại một chu kỳ ký hiệu cho mỗi sóng mang sẽ có n bit thông tin được truyền

đi Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau Thường thì n càng bé càng có khả năng chiu nhiễu lớn

1.2.5 Khối biến đổi IFFT

Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con là các số phức tương ứng với các điểm trên giản đồ chòm sao M-QAM sau đó đưa đến bộ biến đổi IFFT Nếu

bộ IFFT có N đầu vào thì N được gọi là kích thước của bộ biến đổi IFFT

Thông thường, trên thực tế số sóng mang con thực sự được sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT thực tế, trong số N đầu vào của bộ IFFT thì có một

số đầu vào gọi là đầu vào ảo được sử dụng cho mục đích khác nhau như tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hay chèn tiền tố lặp,

1.2.6 Khối chuyển đổi song song - nối tiếp

Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT

sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp để có thể được truyền đi trên đường truyền Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau

Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là To và N là kích cỡ của bộ biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu (hay còn được gọi là: chu kỳ của ký hiệu

Mỗi ký hiệu OFDM trên được tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu S(nT) thu được sau khi biến đổi IFFT Các mẫu này quy định những tính chất đặc trưng cho mỗi ký hiệu OFDM và trong quá trình truyền đi tập các ký hiệu OFDM được tạo nên từ 1 nhóm N mẫu này thường được đánh dấu để phân biệt được với nhau

nhờ dùng phương pháp chèn khoảng thời gian vào giữa các ký hiệu OFDM Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều chế và việc thực hiện đồng bộ

tại nơi thu

1.2.7 Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ

Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi ta thêm vào khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là phađinh nhiều đường Như vậy ta có thể chọn khoảng bảo vệ là các khoảng trống

Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống vào thì mặc dù ta tránh được hiện tượng ISI song ta lại không thể tránh được hiện tượng xuyên nhiễu giữa các song mang ICI xảy ra Bởi vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh phađinh thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con thành phần bởi vậy tính trực giao trong các sóng mang con trong một ký hiệu OFDM không còn nữa, làm cho ICI tăng lên sau khi các ký hiệu được giải điều chế tại nơi thu

Như vậy để tránh được cả ISI và ICI thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt và kỹ thuật này gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP Tên gọi tiền

tố lặp xuất phát từ thao tác đặc biệt để tạo ra nó: là phiên bản sao chép của đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM Bản sao này sau đó được ghép vào đầu của mỗi

ký hiệu OFDM Hình 1.8 minh hoạ kỹ thuật chèn khoảng bảo vệ CP

Hình 1.8 Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ

Do tính tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ ký hiệu

mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì và do vậy ta có thể tránh được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về pha giữa các ký hiệu OFDM Thực chất của tiền tố lặp chính là ta đã chèn vào rong các thời điểm ban đầu của các

ký hiệu OFDM một khoảng thời gian bảo vệ Trong khoảng thời gian này máy thu

sẽ không sử lý các tia phản xạ trễ hơn khoảng thời gian cho phép

Do các tiếng vọng được tạo ra bởi các bản sao của tín hiệu gốc khi bị trễ, nên tại phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM sẽ có nhiễu liên ký hiệu với phần đầu của ký hiệu tiếp theo Trong khoảng bảo vệ này, nếu có nhiễu tương ứng với nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu thì máy thu sẽ bỏ qua tín hiệu thu được

Việc sử dụng các khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp đặc biệt ngoài khả năng chống ICI và ISI còn rất tốt cho hệ thống OFDM vì kỹ thuật nay còn có một tác dụng rất lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu

Tuy nhiên, việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi

có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi Song với những lợi ích to lớn mà nó mang lại đã làm cho nó trở nên rất phổ biến trong các hệ thống OFDM hiện đại

1.2.8 Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA

Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn thêm vào tiền tố lặp CP, các ký hiệu này được cho qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang tương tự và được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần RF để có thể đưa tín hiệu lên kênh truyền phát tới nơi thu

Ở máy thu sẽ lần lượt thực hiện các thao tác ngược lại với bên phát để thu được tín hiệu đã truyền đi

1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM

Sự phát triển của kỹ thuật xử lý số và mạch vi điện tử với tốc độ cao, dẫn tới

sự kết hợp của hai kỹ thuật này tạo được các vi mạch có khả năng tính toán nhanh giúp tạo tín hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả Nhờ vậy kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin khác nhau như: hệ thống phát thanh

số (DAB), hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB-T), mạng LAN không dây, hệ thống WiMax … [4]

1.3.1 Phát thanh quảng bá số (DAB)

DAB (Digital Audio Broadcasting) là chuẩn truyền dẫn số mới, được phát triển bởi dự án Eureka147, đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế giới DAB có thể đem đến cho người nghe tín hiệu không có nhiễu, âm thanh chất lượng cao, dễ dàng trong sử dụng và không hạn chế khả năng mở rộng mạng thông qua việc phát triển các trạm phát, phát triển các dịch vụ mới

DAB tuy mới là mạng phát thanh quảng bá mặt đất nhưng có thể mở rộng thành mạng phát thanh quảng bá qua vệ tinh trong tương lai Chúng ta có thể nhận được chất lượng chương trình radio tương đương chất lượng chương trình trong đĩa

CD trên xe hơi chỉ với một chiếc anten vô hướng nhỏ DAB hỗ trợ truyền dẫn đa mục đích, ngoài khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được ảnh text, dữ liệu, thậm chí cả hình ảnh Hãy tưởng tượng vừa nghe nhạc vừa xem lời bài hát cùng một lúc, đồng thời cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình thời tiết trong ngày Không cần đọc bản đồ để tìm đường vì hệ thống có thể cung cấp đường đi gần nhất, trạng thái của các trạm gửi xe và tình hình giao thông trong thành phố

Được ETSI chuẩn hóa năm 1995, DAB là tiêu chuẩn đầu tiên của OFDM DAB tạo một mạng tần số đơn và xử lý hiệu quả trễ đa đường để cải thiện âm thanh chất lượng CD, các dịch vụ số liệu mới và hiệu qủa sử dụng phổ cao hơn

Hình 1.9 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB

Hình 1.9 thể hiện sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB Tín hiệu của các dịch

vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất của các nguồn tin, mã hóa

Mã hóa Audio

Mã hóa Kênh

Mã hóa Kênh Trộn gói

Tần số Radio

Đồng bộ dịch vụ Đồng bộ ghép kênh

FIC

chống lỗi và mã hóa kênh Sau đó các dịch vụ được ghép kênh trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Channel) Tín hiệu ra khỏi MSC được liên kết với tín hiệu điều khiển ghép kênh và tín hiệu đồng bộ dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC), để tạo dạng khung truyền trong bộ ghép kênh Cuối cùng OFDM được sử dụng để tạo dạng tín hiệu DAB gồm một số lượng lớn các sóng mang Tín hiệu truyền đi xa bằng sóng vô tuyến điện cao tần bằng các phương pháp điều chế thông thường

Hình 1.10 thể hiện cấu trúc chung của bộ nhận tín hiệu DAB Toàn bộ tín hiệu DAB được lựa chọn bởi lựa chọn tín hiệu tương tự (bộ lọc tương tự), tín hiệu sau khi giải điều chế cao tần được đưa qua giải mã OFDM và giải mã hóa kênh để thu được thông tin dạng tín hiệu số Những thông tin trong kênh FIC được đưa tới giao diện người cho việc lựa chọn các dịch vụ và các đường dữ liệu tương ứng Dữ liệu trong kênh dữ liệu chính (MSC) được xử lý trong bộ giải mã Audio để tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải hoặc trong bộ giải mã dữ liệu để tách thành các đường dữ liệu tương thích

Hình 1.10 Sơ đồ khối máy thu DAB

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB)

Các chuẩn về truyền hình số mặt đất (DVB) bắt đầu được khởi động từ năm

1993 DVB hệ thống truyền dẫn dựa trên nền tảng chuẩn MPEG2, một phương thức nén âm thanh và hình ảnh chất lượng cao DVB ra đời thúc đẩy sự thay thế các

Chọn

lọc Giải mã kênh

Giải mã Audio

Giải trộn gói

Điều khiển

GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG

CONTROL BUS

Giải điều chế OFDM

Dịch vụ Data

MSC

FIC

Dịch vụ Audio

chuẩn truyền hình tương tự, nó cung cấp đường truyền lý tưởng cho các dịch vụ âm thanh, hình ảnh và dữ liệu Chuẩn DVB chỉ ra các giao thức được ứng dụng trong các môi trường truyền dẫn khác nhau như vệ tinh (DVB-S), cáp (DVB-C), mặt đất (DVB-T) Lớp vật lý của các chuẩn này đều nhằn đạt tới mục tiêu tối ưu hóa kênh truyền

1.3.3 Wireless LAN

Mạng LAN không dây (Wireless LAN) hoạt động giống như mang LAN truyền thống, điểm khác nhau là tại hai lớp DataLink và lớp MAC theo mô hình tham chiếu OSI LAN không dây dùng giao tiếp vô tuyến để liên kết các máy tính lại với nhau Mạng LAN không dây có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao, tải tập trung trong một thời gian ngắn Phạm vi hoạt động của mạng LAN không dây khoảng 150 m, các máy trạm có thể cố định hoặc di chuyển với tốc độ thấp

Mạng LAN không dây thế hệ thứ nhất hoạt động dựa trên những giao thức đóng độc quyền của mỗi nhà sản xuất thiết bị Phần lớn các thiết bị đều hoạt động trong dải tần 26 MHz tại băng tần 900MHz và sử dụng kỹ thuật trải phổ, tốc độ cho phép đạt được từ 1-2Mbps

Tại Mỹ, các thiết bị mạng LAN không dây thế hệ thứ hai được chế tạo theo chuẩn 802.11b hoạt động tại băng tần 2,4GHz với dải thông tần 80MHz Theo chuẩn này khuyến nghị dùng kỹ thuật trải phổ, tốc độ trong mạng đạt 1,6Mps (lý tưởng đạt 11Mps), khoảng cách tối đa là 150m Chuẩn thứ hai trong họ chuẩn 802.11 là chuẩn 802.11a được phát triển để có khả năng hoạt động tại tốc độ cao hơn chuẩn 802.11b Trong chuẩn khuyến nghị dải tần hoạt động là 300MHz tại băng tần 5GHz, sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang, tốc độ có thể đạt được từ 20-70Mps Một chuẩn khác là 802.11g cũng khuyến nghị sử dụng kỹ thuật điều chế

đa sóng mang, cho phép sử dụng tại hai băng 2,4GHz và 5GHz tốc độ cho phép lên tới 54Mps

Tại Châu Âu, mạng LAN không dây được phát triển dựa theo chuẩn HIPERLAN (High Performance Radio LAN) Chuẩn HIPERLAN1 cũng tương tự như chuẩn 802.11a cho phép tốc độ đạt được 20 Mps với khoảng cách nhỏ hơn 50m Chuẩn HIPERLAN2 cho phép đạt được tốc độ cao hơn lên tới 54Mps đồng thời hộ trợ các giao thức cho phép truy nhập tới mạng di động, mạng ATM, mạng IP

Điểm khác nhau chính của IEEE 802.11a và HIPERLAN2 là trong phần điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC) Chuẩn IEEE 802.11a sử dụng MAC dựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập sóng mang thông minh có ngăn chặn xung đột (CSMA/CA) Trong khi đó HIPERLAN/2 sử dụng MAC được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian kèm chỉ định khe động (TDMA/DSA)

1.3.4 Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) [3]

WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương pháp truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại di động tế bào Một hệ thống WiMax như mô tả ở hình 1.11 gồm hai phần:

- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km2

- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng gắn vào hoặc tích hợp sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính

Mạng Internet toàn cầu

Trạm BTS

Đường truyền thẳng

Đường truyền

bị che khuất

Đường truyền cáp tốc độ cao

Mạng máy tính trong nhà

Hình 1.11 Mô hình truyền thông mạng WiMax

Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển, và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các an ten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp có vật chắn NLOS, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn khoảng từ 211GGHz, tương tự như ở WLAN tín hiệu có thể vượt qua các vật cản thông qua phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong để đến đích

Hệ thống WiMax có các đặc điểm chính như sau:

- Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể đạt đến 50km

- Tốc độ truyền có thể thay đổi và tối đa là 70Mb/s

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền có tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS

- Dải tần làm việc 2-11GHz và 10-66GHz hiện đã và đang được chuẩn hoá

- Hướng truyền tin được chia làm hướng lên và hướng xuống, tốc độ hướng xuống đạt cao hơn hướng lên và cả hai đều sử dụng công nghệ OFDM

- Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều băng con 1,75MHz Mỗi băng con này lại được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM để cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần

- Cho phép sử dụng cả hai công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số và ghép kênh phân chia theo thời gian cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên

và hướng xuống

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp: Lớp con tiếp ứng, lớp đa truy nhập, lớp truyền dẫn và lớp vật lý Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƯỢC

ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM

2.1 Giới thiệu

Như đã đề cập ở chương 1, kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm như: hiệu quả sử dụng băng tần cao do các sóng mang con được xếp chồng lên nhau, có khả năng chống nhiễu ISI và ICI do sử dụng tiền tố vòng CP, chịu ảnh hưởng ít của fadinh lựa chọn tần số do bằng tần được chia nhỏ thành các băng hẹp sử dụng cho các sóng mang con khác nhau, thực hiện điều chế đơn giản nhờ sử dụng các bộ biến đổi FFT

Vậy câu hỏi đặt ra là tại sao với nhiều ưu điểm vượt trội như nên nhưng việc triển khai ứng dụng kỹ thuật OFDM trong thực tế vẫn còn khiêm tốn Nguyên nhân kinh tế là do các hệ thống hiện tại vẫn hoạt động tốt và hiệu quả nên chưa cần thiết phải đầu tư thay thế Nguyên nhân kỹ thuật là do hệ thống OFDM sẽ tạo ra tín hiệu

là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn làm hạn chế hoạt động của bộ khuyếch đại công suất, đồng thời do các sóng mang con phải trực giao với nhau nên

dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống đơn sóng mang [14]

Như vậy, OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Nhưng để có thể đem áp dụng vào các hệ thống trong thực tế, cần phải giải quyết được các vấn đề cơ bản sau:

- Ước lượng tham số kênh

- Sửa lỗi đồng bộ

- Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại

Các phần sau đây sẽ lần lượt đề cập một cách chi tiết và các phương pháp kỹ thuật để giải quyết các vấn đề trên

2.2 Ước lượng tham số kênh [3]

Ước lượng tham số kênh bao gồm hàm truyền đạt của các kênh nhánh và thời gian để thực hiện giải điều chế liên kết bên thu Để ước lượng tham số kênh, có thể sử dụng tín hiệu dẫn đường (pilot) hoặc không sử dụng tín hiệu dẫn đường

Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng tín hiệu dẫn đường Trong phương pháp này, tín hiệu dẫn đường bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước Do đó ở phía thu các tham số của kênh truyền được ước lượng một cách

dễ dàng thông qua hai bước như sau:

- Bước 1: Hệ số kênh truyền tại các mẫu tin dẫn đường được khôi phục lại bằng cách chia mẫu tin dẫn đường nhận được Ri’,n’ cho mẫu tin dẫn đường đã phát đi Si’,n’ Kết quả là:

' ,'

' ,' n' ,'

n i

n i

số Nhưng vấn đề này sẽ được giải quyết thông qua các thuật toán nội suy

- Bước 2: các tham số kênh truyền tại các vị trí của mẫu tin có ích được xác định thông qua các thuật toán nội suy từ các tham số kênh truyền đã được khôi phục như ở bước 1: Hi,n nội suy của |Hi ,'n'|

Có nhiều phương pháp nội suy có thể sử dụng như phép nội suy tuyến tính, nội suy sử dụng hàm SI, hàm đa thức bậc 3, hoặc nội suy sử dụng bộ lọc tối ưu Wiener

2.2.1 Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền

- Nội suy sử dụng hàm tuyến tính, hàm SI và hàm đa thức

Ở phép nội suy tuyến tính, hàm truyền tại vị trí mẫu tin có ích được nội suy chỉ thông qua hai điểm kế cận của hai mẫu tin dẫn đường Tuy nhiên ở phép nội suy

đa thức, hàm truyền của mẫu tin có ích được nội suy thông qua nhiều điểm khác nhau của mẫu tin dẫn đường Do vậy nội suy đa thức có chất lượng tốt hơn so với nội suy tuyến tính nhưng độ phức tạp lại cao hơn

Hình 2.1 mô tả phương pháp nội suy tuyến tính trong đó mỗi một điểm cần nội suy là giá trị trung bình của hai điểm kế cận

Hình 2.1 Kỹ thuật nội suy tuyến tính

Hình 2.2 minh hoạ hai phương pháp nội suy đa thức và nội suy Si(x) Cả hai phương pháp này đều rất thông dụng trong thực tế Nội suy Si(x) thực chất là việc

sử dụng bộ lọc thông thấp ở miền tần số Ở miền thời gian nó được biểu diễn thông qua hàm Si(x)

Hình 2.2 Kỹ thuật nội suy hàm Si và nội suy hàm đa thức

- Nội suy sử dụng bộ lọc tối ƣu Wiener

Bộ lọc Wiener còn được gọi là bộ lọc lỗi bình phương tối thiểu (MMSE) Bộ lọc Wiener được ứng dụng rộng rãi trong các kỹ thuật cân bằng tín hiệu hay ước lượng kênh truyền Cấu trúc bộ lọc được mô tả như hình 2.3

H ,

Hi,n

i,n

1 , 1

H('1) '1,(1) 1 ,

Hình 2.3 Bộ lọc Wiener

Đầu vào bộ lọc các giá trị hệ số kênh truyền Hi ,'n'tại các mẫu tin dẫn đường thu được ở phương trình (2.1), các giá trị kênh truyền này được nhân với các hệ số của bộ lọc i’, n’, i, n như phương trình sau:

n i n i n i

được nội suy từ các phần tử Hi ,'n'khác nhau ở cả miền tần số và miền thời gian Khi

đó người ta gọi phép nội suy là phép nội suy hai chiều Phép nội suy này mang lại

độ chính xác cao, tuy nhiên lại có độ phức tạp cao

Người ta đã chứng minh được rằng bộ lọc Wiener hai chiều có thể được tách thành hai bộ lọc một chiều, một bộ thực hiện trong miền tần số và một bộ thực hiện trong miền thời gian Nhờ vậy mà độ phức tạp khi thực hiện bộ lọc sẽ được giảm đi rất nhiều trong khi chất lượng tín hiệu lọc không giảm đáng kể

2.2.2 Cân bằng kênh cho hệ thống

Giã thiết kênh truyền là không biến đổi (hoặc gần như không đổi) trong khoảng thời gian của một ký hiệu OFDM và trong một khoảng tần số là độ rộng của hai sóng mang con kế tiếp nhau Điều này có nghĩa là ở miền thời gian:

),(),(j t H j kT

Và ở miền tần số:

) , ( ) , (j t H jn kT

Khi đó hệ số hàm truyền tương ứng với sóng mang phụ thứ n và ký hiệu OFDM thứ k được biểu diễn dưới dạng:

) , ( ) , (j t H jn t

2

1(

)1(

(2.5) Tín hiệu sau khi giải điều chế như sau:

n k s n

kT jn H

) , (

số hàm truyền của kênh

2.3.1 Đồng bộ thời gian [13]

Nhiệm vụ của việc đồng bộ thời gian là phải xác định được thời điểm ký hiệu

bắt đầu Khi có sự sai khác về thời gian bắt đầu ký hiệu thì sẽ gây ra lỗi thời gian

Hỡnh 2.4 Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu

Nếu lỗi nhỏ và thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong vựng CP thỡ nú khụng gõy ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, hỡnh vẽ 2.5 minh hoạ điều này

CP {Yn |1≤ n ≤ N} CP

Cửa sổ FFT lý t- ởng

Ký hiệu OFDM thứ i Ký hiệu OFDM thứ i+1

Lỗi đồng bộ

Hỡnh 2.5 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong CP

Trường hợp ngược lại, nếu thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu ớch thỡ nhiễu ISI sẽ xẩy ra như trong hỡnh 2.6

CP {Y n |1≤ n ≤ N} CP

Cửa sổ FFT lý t- ởng

Ký hiệu OFDM thứ i Ký hiệu OFDM thứ i+1

Lỗi đồng bộ ISI + Lỗi pha

Hỡnh 2.6 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu ớch

Để thực hiện việc đồng bộ thời gian, thường sử dụng hai phương phỏp là: đồng bộ sử dụng tớn hiệu Pilot và đồng bộ sử dụng CP

2.3.1.1 Đồng bộ thời gian dựa trờn tớn hiệu pilot

Thuật toỏn đồng bộ bao gồm ba bước: nhận biết cụng suất (power detection), đồng bộ thụ (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization)

- Nhiệm vụ của nhận biết công suất là xác định xem 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 bước đầu với độ chính xác khá thấp là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác đồng bộ trong bước này không cao, song nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng

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

- Ở bước đồng bộ tinh, do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên kể cả ảnh hưởng của lỗi đồng bộ, đáp ứng xung của kênh chắc chắn nằm trong thời khoảng của CP (vì thời khoảng CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung ít nhất là 1 mẫu) Vì vậy, lỗi pha sóng mang ở các kênh con chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi qui tuyến tính Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng

2.3.1.2 Đồng bộ thời gian sử dụng CP

Kỹ thuật đồng bộ này được thực hiện nhờ tính chu kỳ của mỗi ký hiệu, do đó

CP được chèn vào ở mỗi ký hiệu

ý tưởng cơ bản là xét hiệu hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N bước:

- Nếu r(m) và r(m+N) không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký hiệu, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan Công suất trung bình của d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của ký hiệu OFDM

Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng đúng bằng khoảng thời gian của CP (tức là điểm cuối của cửa sổ trùng vào điểm bắt đầu của ký hiệu OFDM) thì khi cửa

sổ này trùng với thành phần CP của ký hiệu OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của ký hiệu OFDM, đồng bộ thời gian được thực hiện

2.3.2 Đồng bộ tần số

Đồng bộ tần số là vấn đề quyết định đối với hệ thống OFDM, nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm sẽ làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI

Đồng bộ tần số bao gồm đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang [6]

- Đồng bộ tần số lấy mẫu: tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu Chênh lệch về nhịp đồng hồ giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra xoay pha làm suy giảm biên độ tín hiệu do được lấy mẫu không phải tại đỉnh

- Đồng bộ tần số sóng mang: có nhiều nguyên nhân dẫn đến mất đồng bộ giữa các tần số sóng mang như: độ dịch tần Dopler, nhiễu pha do kênh truyền không tuyến tính… Nếu việc đồng bộ không đảm bảo thì các chỉ tiêu chất lượng cũng như các ưu điểm của hệ thống OFDM so với hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống sẽ bị giảm đáng kể

Cũng giống như trong đồng bộ thời gian, có thể chia các giải pháp đồng bộ tần số thành hai loại là: đồng bộ dựa trên việc sử dụng các tín hiệu dẫn đường và sử dụng CP

Một vấn đề cần chú ý là quan hệ giữa đồng bộ tần số và đồng bộ thời gian

Để giảm ảnh hưởng của mất đồng bộ tần số, có thể giảm số lượng sóng mang con, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Tuy nhiên, giảm số lượng sóng mang sẽ thu nhỏ thời khoảng ký tự trên mỗi sóng mang làm độ nhạy với sai lỗi thời gian của hệ thống tăng lên, yêu cầu về đồng bộ thời gian phải chặt chẽ hơn Vì vây, cần phải nghiên cứu để dung hoà hai yêu cầu về đồng bộ thời gian và đồng bộ tần

số

2.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM

[2]

Người ta thường đánh giá ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR Bảng 2.1 dưới đây tổng kết một một số kết quả nghiên cứu

Lỗi tần số sóng mang , kênh AWGN

 chuẩn hoá theo khoảng cách f giữa hai

10

N

E s



Lỗi tần số sóng mang , kênh fading

 chuẩn hoá theo khoảng cách f giữa hai

sin5947,01

N

E s

Nhiễu pha sóng mang, độ rộng 

 chuẩn hoá theo thời gian một ký tự tín

hiệu phát T = TS + TCP

0

4 10 ln 6

N

Bảng 2.1 Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ

Các kết quả trong bảng được minh hoạ trên hình 2.7

Hình 2.7 Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau

Dựa vào bảng 2.1 và đồ thị trên hình 2.7 có thể đưa ra một số nhận xét sau:

- Đồng bộ tần số sóng mang giữa máy thu và máy phát ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (cả kênh fading lẫn kênh AWGN) Suy hao SNR [dB] tỉ lệ thuận với bình phương độ sai lệch tần số sóng mang

- Độ rộng của nhiễu pha sóng mang tỉ lệ thuận với số lượng sóng mang Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóng mang

- Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương của chỉ số sóng mang và bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối

- Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho nó không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng thời gian của

CP

2.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn là một trong những hạn chế

cơ bản của kỹ thuật OFDM Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không thể đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến Vì vậy, cùng với đồng bộ tần số sóng mang như đã trình bày ở phần trên, giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong hai yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống sử dụng OFDM

2.4.1 Định nghĩa [2]

Công suất đỉnh trên công suất trung bình (Peak to Average Ratio - PAR) của một ký hiệu OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương của các mẫu này:

2 1 , 0

max

m

m N m

X E

8PSK

{0,1}

1 0

Hình 2.8 Một số không gian tín hiệu

- Hệ thống nhị phân {0,1}: PAR = =2;

- Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK): do các kí hiệu trong không gian tín

như nhau) nên PAR = 1 Đây chính là giá trị nhỏ nhất của PAR trong mọi hệ thống

- Với hệ thống dùng 16-QAM: PAR = 1,8

2.4.2 Thuộc tính thống kê

Giả sử các ký hiệu thông tin là ngẫu nhiên và độc lập với nhau Với số lượng sóng mang đủ lớn (N  64), có thể áp dụng định lý giới hạn trung tâm để xấp xỉ các mẫu tín hiệu trong miền thời gian của một kí hiệu OFDM có dạng phân bố Gauss

(

x x

U

u u

u f



Với phân bố Rayleigh như trên, có thể thấy khả năng giá trị cực đại của một mẫu lớn hơn giá trị trung bình nhiều lần là khá cao Để đánh giá khả năng này, người ta tính xác suất mà giá trị cực đại của các mẫu trong một ký hiệu OFDM vượt quá một ngưỡng a xác định nào đó:

Pr  

 u m a

1 - N

mmax =1- Pr(um<am 0 ,N 1)

=

1-N a

x x

du u u

2

x x

x

a PAR



 , thuộc tính thống kê của PAR trong OFDM sẽ được cho

trong công thức sau:

PAR PAR

Để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đã được sử dụng, người ta so sánh kết quả thu được trong công thức (2.32) với kết quả đạt được bằng mô phỏng Monte Carlo với các giá trị khác nhau của số lượng sóng mang N sử dụng điều chế 16-QAM (Hình 2.9) So sánh một lần nữa khẳng định với N  64, phân tích trên đạt được độ chính xác cao

Hình 2.9 So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng

2.4.3 Phương pháp giảm PAR [2]

Hiện nay, đa số các hệ thống thông tin OFDM đều đã và sẽ được khuyến nghị sử dụng nhiều sóng mang con để phát huy các ưu điểm của kỹ thuật này Do

đó, vấn đề giảm PAR đóng vai trò quan trọng trong việc đem áp dụng OFDM vào thực tế Có khá nhiều nghiên cứu để xử lý vấn đề trên, tuy nhiên có thể phân các giải pháp giảm PAR theo hai loại chính Loại thứ nhất sử dụng việc đưa thêm một

số thông tin hỗ trợ (dữ liệu, mã) vào ký hiệu OFDM Loại thứ hai là sử dụng các xử

lý không gian tín hiệu (ví dụ QAM, PSK, ) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PAR thấp

2.4.3.1 Phương pháp sử dụng thông tin hỗ trợ

Như trên đã nói, có thể giảm PAR bằng cách chèn thêm một số thông tin hỗ trợ như mã hoá hay dữ liệu Mã hoá để giảm PAR là phương pháp được sử dụng kết hợp với mã sửa sai trước Phương pháp này chèn thêm mã vào các mẫu của một ký

hiệu OFDM để làm biến đổi thuộc tính thống kê của các mẫu này Dạng mã hoá thích hợp theo phương pháp này là dạng kết hợp giữa dãy mã Golay và mã Reed-Muller

Vấn đề quan trọng của phương pháp này là phải đề ra thuật toán để lựa chọn

vị trí chèn các thông tin hỗ trợ sao cho các vị trí này càng ngẫu nhiên càng tốt Đặc điểm chung của các phương pháp này là:

- Tạo ra dư thừa thông tin, làm chậm tốc độ truyền dẫn, giảm tỉ số SNR

- Công suất phát phải tăng lên

- Tăng độ phức tạp bên máy phát nhưng lại giảm độ phức tạp bên thu do chỉ cần phải triệt tiêu các thành phần chứa thông tin hỗ trợ

2.4.3.2 Phương pháp xử lý không gian tín hiệu

Xử lí không gian tín hiệu thực chất là thực hiện một số thao tác, biến đổi không gian tín hiệu đầu vào IDFT sao cho có thể giảm được PAR Dưới đây là một

số giải pháp được thực hiện theo phương pháp này

- Dùng sơ đồ ánh xạ lựa chọn (selecting Mapping): Phương pháp giảm PAR dùng sơ đồ ánh xạ lựa chọn là giải pháp rất đơn giản Sử dụng các phép biến đổi để tạo ra M bộ mẫu theo thời gian của cùng ký hiệu OFDM thứ k:

 ) 

, 1

) , 1

) , 0 )

k N

i k

i k K

thấp nhất để truyền đi Tuy nhiên, nếu kích thước một khung tín hiệu OFDM lớn thì việc tính toán tối ưu sẽ phức tạp Số bộ nhớ dành cho lưu trữ thông tin tạm thời về M bộ mẫu cũng bị hạn chế

- Dùng các dãy phát từng phần (Partial Transmit Sequences): Về mặt nguyên lí, phương pháp này cũng tương tự như phương pháp lựa dùng sơ đồ ánh xạ lựa chọn Tuy nhiên, trong phương pháp này, tín hiệu trước khi đưa đến IDFT được chia thành các khối con (sub-block) rồi thực hiện tương tự như dùng sơ đồ lựa chọn đối với từng khối con này như trên hình 2.10