Nghiên cứu về dịch tần số và các phương pháp khắc phục trong hệ thống OFDM

Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ một ký hiệu O FD M sẽ tăng và trải trễ đa đường sẽ giảm.. Sau đó các ký hiệu rời rạc này lại được chuyển đổi sang dạng analog băng t

V! ĨHuHGTiN.THƯV

' M Ô ÍA 9 H

-Hà Nội - Năm 2003

MỤC LỤC 1

Lời CẢM ƠN 3

CÁC TƯVIẼT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: MÔ HỈNH KÊNH v ồ TUYỂN 7

1.1 Mô hình kênh trên quy mô lớ n 7

1.1.1 Kênh truyển lý tư ở ng 7

1.1.2 Mô hình che khuất loga c h u ẩ n 8

1.2 Mô hình kênh trên quy mô n h ỏ 9

1.2.1 Hiệu ứng đa đ ư ờ n g 9

1.2.2 Kênh fading và phân loại kênh fa d in g 14

1.2.3 Các phân b ố Rayleigh và R ic e a n 16

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẾ HỆ THỐNG OFDM 18

2.1 Lịch sử hỉnh thành OFDM 18

2.2 Cấu trúc hệ thống O FD M 19

2.2.1 Á n h xạ tín h iệu 21

2.2.2 Biến đổi IFFT/FFT 22

2.2.3 Chèn và loại bỏ dải bảo v ệ 23

2.2.4 C huyển đ ổ ip h á ư th u 25

2.3 Các ưu nhược điểm so với hệ đơn sóng m ang 26

2.3.1 Ưu điểm 26

2.3.2 Nhược điểm 28

CHƯƠNG 3: ĐỔNG Bộ VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬA LỖI ĐÓNG BỘ 30

3.1 Giới thiệu chung về đồng b ộ 30

3.1.1 Lỗi đổng bộ kỷ h iệ u 30

3.1.2 Lỗi tạp âm pha và lỗi quay pha sóng m a n g 31

3.1.3 Lỗi tẩn s ố lấy m ẫ u 32

3.1.4 Lỗi dịch tần s ố sóng mang (C F O ) 33

3.2 C ác kỹ thuật đồng b ộ 36

3.2.1 Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng tiền tố lặp C P 36

3.2.2 Kỹ thuật đổng bộ s ử dụng các ký hiệu huấn luyện đặc biệt 39

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MLE (MAXIMUM LIKELIHOOD ESTIMATION) 43

4.1 ước lượng độ dịch tần số qua kênh nhiễu cộng Gaussian (AWGN) 43

4.2 Kết lu ậ n 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

T rư ớ c tiên , tôi x in b à y tỏ lò n g b iế t ơn sâu s ắ c đ ế n G S T S K H P h a n A nh,

ng ư ờ i đ ã tận tìn h h ư ớ n g d ẫ n tôi tro n g su ố t th ờ i g ia n làm lu ận vă n vừa qua Tôi

c ũ n g x in c h â n th à n h c ả m ơn ThS T rầ n C ao Q u y c n , người đ ã có n h iề u ý kiến

g ó p ý c h o tôi tro n g q u á trìn h là m lu ận văn T ô i c ũ n g x in c h â n th à n h c ả m ơn

c á c th ầy cô g iá o tro n g k h o a C ô n g n g h ệ , Đ ại h ọ c Q u ố c g ia H à N ộ i đ ã tạo m ọi

đ iề u k iệ n h ọ c tậ p và n g h iê n cứu cho tôi tro n g h ai n ă m h ọ c vừa q u a T ô i cũ n g

x in gửi lời c ả m ơ n tới c á c b ạ n học, cá c đ ồ n g n g h iệ p v à g ia đ ìn h , tất cả m ọ i người d ã g iú p đ ỡ tô i rất n h iều , đ ã đ ộ n g v iê n v à d à n h thời g ia n g iú p c h o tôi

h o à n th à n h b ả n lu ậ n vă n này

D o thời g ia n n g h iê n cứu có h ạn và p h ả i tiếp c ậ n với m ộ t vấn đ ề cò n m ới,

b ả n lu ận văn k h ó trá n h k h ỏ i có n h ữ n g th iế u sót T ô i rất m o n g n h ậ n đư ợc sự

ch ỉ b ả o g ó p ý c ủ a m ọ i người

H à N ộ i, th á n g 6 n ă m 2 0 0 3

N g u y ỗ n T h a n h H ư ơ n gLỜI CẢM ƠN

S/P Serial to P arallel

S L M S elec te d M a p p in g

S N R S ig n a l-lo -n o is e R atio

W L A N W ir e le s s L o c a l A re a N e tw o r k

N g à y n a y , n h u c ầ u tích h ợ p c á c d ịc h vụ n h ư th o ại, h ìn h ản h , d ữ liệu, hội

n g h ị tru y ề n h ìn h , tru y n h ậ p In te rn e t k h ô n g dây tă n g rất n h a n h H o n nữa,

n h ằ m đ á p ứ n g c h o k h á c h h à n g v ề sự tiện d ụ n g v à k h ả n ă n g di c h u y ể n thì cũ n g

c ầ n d ự a vào n h ữ n g ưu đ iể m c ủ a th ô n g tin di đ ộ n g tố c đ ộ cao V ì v ậy , th ô n g tin

vô tu y ế n di đ ộ n g tố c đ ộ c ao đư ợc x e m n h ư c h ia k h ó a c h o v ấn đ ề trên

Sức lôi c u ố n c ủ a O F D M là ở h iệu s u ấ t p h ổ cao , c h ịu đ ư ợ c ả n h h ư ở n g

c ủ a k ê n h f a d in g , loại trừ đ ư ợ c n h iễ u x u n g tốt hơ n rấ t n h iề u so với kỹ th u ật

k ỹ th u ậ t đ ơ n s ó n g m a n g T ừ n h ữ n g ưu đ iể m trê n , d ễ n h ậ n th ấ y O F D M rất

th íc h h ợ p tro n g m ô i trư ờ n g fa d in g n h iều tia (R a y le ig h ) O F D M là m ộ t tro n g

n h ữ n g lựa c h ọ n đ ầ y h ứ a h ẹn đ ể đạt đ ư ợ c tru y ề n d ẫ n tố c đ ộ c a o tro n g m ôi trư ờ n g vô tu y ế n di đ ộ n g V ớ i O F D M , sẽ có đ ư ợ c h iệ u q u ả b ă n g r ộ n g do các

s ó n g m a n g p hụ đ ư ợ c g h é p c h ổ n g x cn k ẽ n h a u Tại nơi th u , bộ tư ơ n g q u a n có

th ể p h ân tá c h c á c s ó n g m a n g p h ụ vì c h ú n g có tín h c h ấ t trự c giao

T u y n h iê n , vì tín h iệ u O F D M n h ạ y c ả m với lỗi d ịc h tần s ố s ó n g m a n g

h ơ n so với h ệ s ó n g m a n g đơn n cn k h ó th iế t lậ p đ ổ n g b ộ tầ n s ố ở nơi thu T ừ

đ iể m n à y , lu ậ n v ă n sẽ n g h iê n cứu chi tiết h ơ n v à o v ấ n đ ề đ ồ n g b ộ tầ n s ố ở h ệ

t h ố n g O F D M tro n g m ô i trư ờ n g vô tu y ế n di đ ộ n g

LỜI NÓI ĐẦU

T h ô n g tin vô tu y ế n sử d ụ n g k h o ả n g k h ô n g g ia n là m m ô i trư ờ n g tru y ề n

d ãn P h ía p h á t b ứ c x ạ c á c tín h iệ u th ô n g tin b ằ n g s ó n g đ iệ n từ, p h ía thu n h ậ n

s ó n g đ iệ n từ n à y q u a k h ô n g g ia n v à tách lấy tín h iệ u g ố c C ă n c ứ th e o sự th ay

đ ổ i k h o ả n g c á c h so với bư ớc só n g có th ể lạ m c h ia p h ạ m vi tính to á n k ên h tru y ề n th à n h hai loại n h ư sau:

- T ín h to á n trê n q u y m ô lớn ( la rg e -sc a le )

- T ín h to á n trê n q u y m ô nhỏ ( s m a ll-s c a le )

1.1 M ỏ hình kênh trên quy mô lớn

M ô h ìn h tín h to á n d ự đ o á n c ư ờ n g độ tín h iệ u tru n g b ìn h đối với m ộ t

k h o ả n g c á c h tu ỳ ý g iữ a nơi thu v à nơi p h á t rấ t có lợi tro n g v iệc ước lượng

1.L 1 Kênh truyền lý tưởng

K ê n h tru y ề n lý tư ở n g đ ư ợc x e m n h ư là tru y ề n s ó n g tro n g k h ô n g g ian tự

d o , là k ê n h k h ô n g c h ịu tá c đ ộ n g c ủ a p h ả n xạ, tá n xạ, n h iễ u x ạ T r u y ề n só n g trê n k c n h lý tư ở n g là d ạ n g tru y ề n s ó n g cơ b ản n h ất Q u a n h ệ g iữ a c ô n g suất

th u v à c ô n g s u ấ t p h á t đ ư ợ c m ô tả n h ư sau:

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH KÊN H VÔ TUYẾN

H ệ s ố m ấ t m á t trê n đ ư ờ n g tru y ề n tính theo clB:

PL(dB) = 1 o[log p - log p 1 = 10lo g ^- = -10 logl"-G-'-C ~ậ

1.1.2 M ỏ h ìn h che k h u ấ t loga chuẩn

S uy h a o d ư ờ n g tru y ề n tăn g th eo k h o ả n g c á c h v à th eo lần số T ro n g

k h ô n g g ian tự d o thì su y h a o n à y tỷ lệ với b ìn h p h ư ơ n g k h o ả n g c á c h n h ư tro n g

c ô n g th ứ c (1 1 ) N h ư n g d o c á c h iệu ứ ng về c h e k h u ấ t bởi c á c v ật cản n ên b iê n

đ ộ tín h iệ u Ihu đ ư ợ c sẽ t h ă n g g iá n g n g ẫ u n h iê n Suy h a o th a y đ ổ i th e o k h o ả n g

c á c h k h ô n g p h ải là m ộ t g iá trị d u y n h ấ t m à t h ă n g g iá n g x u n g q u a n h m ộ t giá trị tru n g b ìn h :

6 -lO d B G iá trị PL(d0) th ư ờ n g đư ợc tín h th e o g iả th iết tru y ề n t ro n g k h ô n g g ian

tự d o từ nơi p h á t đ ế n k h o ả n g c á c h d 0

1.2 M ô hình kênh trên quy mỏ nhỏ

1.2.1 H iệ u ứng đa đường

T h ự c t ế q u a n sát k ết q u ả đo trư ờ n g vô tu y ế n di đ ộ n g , độ lớn tín h iệ u

th ă n g g iá n g n h a n h v à d ải th ă n g g iá n g lớn tro n g k h o ả n g tlìời g ia n n h ỏ và

q u ã n g đ ư ờ n g d ịc h c h u y ể n n h ỏ ( k h o ả n g 5 - 1 0 lầ n bư ớc só n g )

- L a n t r u y ề n q u y m ô n h ỏ g ây nên:

+ th a y đ ổ i n h a n h độ lớn tín h iệ u thu đ ư ợ c+ x u ấ t h iệ n đ iề u c h ế tẩn s ố n g ẫ u n h iê n d o sự d ịc h tầ n đ o p p le r ( k ế t q u ả c ủ a c h u y c n đ ộ n g g iữ a n g u ồ n th u v à n g u ồ n p h át)

+ s ự p h â n tán thời gian d o v iệ c tru y ề n đ a đ ư ờ n g c ó th ể d ẫ n đ ế n

g ia o t h o a g iữ a c á c k ý h iệ u ISI

- C á c y ế u t ố g â y ả n h h ư ở n g g ồ m có:

+ y ế u t ố đ a đ ư ờ n g+ y ế u tố tố c độ c h u y ể n đ ộ n g lư ơ n g đ ố i c ủ a b ộ th u so với bộ p h á t + y ế u tố đ ộ r ộ n g p h ổ c ủ a tín h iệ u

+ n g o à i ra c ò n có ả n h h ư ở n g c ủ a y ế u t ố m ô i trư ờ ng

1 2 1 1 D ịc h tầ n D o p p le r (d o p p le r sh ift)

N ế u tr u y ề n s ó n g tro n g m ô i trư ờ n g vô tu y ế n m à n ơ i p h á t và nơi thu lại

c h u y ể n đ ộ n g th ì k h i đ ó c ò n p h ải x é t đ ế n h iệ n tư ợ n g d ịc h tầ n d o p p le r

G iả s ử b ộ th u c h u y ể n đ ộ n g với v ậ n tố c V từ X đ ế n Y k h o ả n g c á c h d

N g u ồ n p h á t s ở đ ủ x a so với d, g ó c g iữ a p h ư ơ n g s ó n g tới với p h ư ơ n g c h u y ể n

đ ộ n g là 0 , th ờ i g i a n di c h u y ể n h ế t k h o ả n g c á c h d là Àt G iả sử n g u ồ n p h á t ở rất xa, có th ể coi 0 tại X v à Y là n h ư n h au

c) T rư ờ n g hợ p m á y th u c h u y ể n đ ộ n g v u ô n g g ó c với p h ư ơ n g só n g tới:

cos 90° = 0 n ên k h ô n g có d ịc h tần d o p p le r n ê n f nhạn = f = 1850 M H z

1 2 1 2 M ô h ìn h đ á p ứ ng x u n g củ a kên h đa đư ờ n g

C ác b iế n th iê n q u y m ô n h ỏ c ủ a m ộ t tín h iệ u vô lu y ế n di đ ộ n g có thể liên q u a n trự c tiế p với đ á p ứ n g x u n g c ủ a k ên h Đ á p ứng x u n g là m ộ t h à m đ ặ c trư n g biểu thị tín h c h ấ t c ủ a k ên h , nó c h ứ a c á c th ô n g tin cần th iết đ ể m ô p h ỏ n g

h ay ph àn tích q u á trìn h tru y ề n só n g vô tu y ế n q u a k ên h

G iả s ử có m ộ t m á y th u c h u y ể n đ ộ n g với m ộ t vận l ố c k h ô n g đ ổ i V nào

đó Đ ố i với m ộ t vị trí d c ố đ ịn h , k ê n h g iữ a m á y p h á t và m á y thu có thổ m ô

h ìn h h o á n h ư m ộ t h ệ tu y ế n tín h b ất b iế n th e o thời g ian T u y n h iê n , d o có các

s ó n g c ủ a n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n k h á c n h a u , c á c s ó n g n à y c ó s ự trễ khi tru y ề n , sự trễ n à y th a y đổi tu ỳ th u ộ c v ào k h ô n g g ia n c ủ a m á y thu, m à đ á p ứ n g x u n g củ a

c ác k ê n h tu y ế n tín h b ấ t b iế n th eo thời g ia n sẽ p h ụ th u ộ c vào vị trí c ủ a m á y thu

N h ư vậy, đ á p ứ ng x u n g c ủ a k ê n h có th ể đ ư ợ c b iể u thị là m ộ t h à m th a y đ ổ i

th eo thời g ia n v à k h o ả n g c á c h h(d,t)

V ớ i d = vt, vì v ận tốc có th ể đ ư ợc x e m là k h ô n g đ ổ i tro n g m ộ t thời g ian

n g ắ n (h o ặ c m ộ t k h o ả n g c á c h n g ắ n ), n c n c h ỉ x ét đ á p ứ n g x u n g p h ụ th u ộ c theo thời g ia n h (t, x) B iến s ố t là c á c b iế n th iên th e o th ờ i g ia n d o c h u y ể n đ ộ n g còn

I là đ ộ trễ c ủ a n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n c ủ a k ê n h đ ố i với g iá trị c ố đ ịn h c ủ a l

G ọi tín h iệ u tr u y ề n đi là x(l), tín h iệu n h ậ n y (t) đ ư ợ c b iểu thị n h ư là m ộ t tích c h ậ p c ủ a x(t) với đ á p ứ n g x u n g c ủ a k ê n h :

(1.7)

Đ ể th u ậ n tiệ n h ơ n C Ỉ1 0 v iệc tính to án , tiến h à n h rời rạc h o á trụ c trễ T c ủ a

c ác trễ d ư ( e x c e s s d e la y ) tư ơ n g ứ n g c á c th à n h p h ầ n th ứ i c ủ a n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n ở th ờ i đ i ể m t N h ư vậy, độ trễ d ư cực đ ạ i c ủ a k ê n h sỗ b à n g N.ÀT

q u a n tâ m đ ến , g ọ i là b iê n d ạ n g trễ c ô n g su ấ t (p o w e r d e la y p ro file) T h ô n g số

n ày đ ư ợ c tìm b ằ n g c á c h lấy tru n g b in h th e o k h ô n g gian c ủ a |/íft(í,r )|2q u a m ộ t

v ù n g c ụ c bộ [1]:

T r o n g đ ó k là h ệ số k h u ế c h đ ại liên h ệ c ô n g s u ấ t p h á i tro n g x u n g th ử p(t) với c ô n g s u ấ t t ổ n g c ộ n g thu đư ợc tro n g m ộ t b iê n d ạ n g trỗ n h iề u đ ư ờ n g tru y ề n (với p (t) g ầ n n h ư là m ộ t h à m delta: p(t) « ô(t - 1))

ỉ 2 1 3 C á c th ô n g s ố c ủ a k ê n h đ a đ ư ờ n g

T ừ b iê n d ạ n g trễ c ô n g su ấ t m à s u y ra đ ư ợ c n h iề u th ô n g s ố c ủ a k ê n h đa

đ ư ờ n g , liê n q u a n đ ế n đ ặ c tín h p h â n tán thời g ian c ủ a k ê n h có h ai th ô n g s ố sau:

- Đ ộ t r ễ d ư tru n g b ìn h c ủ a k ê n h ( ĩ )

N ế u c o i k ê n h đ a đ ư ờ n g c ó N đ ư ờ n g trễ, m ô i trư ờ n g c ó đ á p ứ n g a k , ứngvới trễ d ư Tk th ì đ ộ trễ d ư tru n g b ìn h là thời đ iể m đ ầ u tiê n c ủ a b ie n d ạ n g trễ

- Đ ộ rộ n g k ê n h k ế t h ợ p ( Bc )

Đ ạ i lư ợ n g trải trễ rm s v ề p h ư ơ n g d iệ n tần s ố sẽ ứ ng với m ộ t đ ộ r ộ n g

b ă n g tầ n đ ư ợ c g ọi là đ ộ r ộ n g k ê n h k ế t hợp N ó đ ư ợ c c o i là m ộ t d ải tần s ố đi

q u a k ê n h c ó đ á p ứ n g tư ơ n g đ ố i b ằ n g p h ẳ n g , h a y đ ộ tư ơ n g q u a n c ủ a c á c đ áp ứng tần số tro n g d ải là lớn

T ấ t c ả c á c th ô n g s ố n êu trên d ù n g đ ể m ô tả tín h c h ấ t k c n h tro n g v ù ng

cụ c bộ L iê n q u a n đ ế n s ự d ịc h c h u y ể n tư ơ n g đ ố i g iữ a nơi p h á t v à nơi th u còn

có t h ô n g s ố k h á c là đ ộ trải tần d o p p le r ( d o p p le r s p re a d ) v à thời g ia n k ết hợp

- T r ả i tầ n d o p p le r và th ờ i g ia n kết hợp

Đ ộ trải d o p p le r B D là m ộ t th ô n g s ố đ á n h g iá c ủ a sự m ở rộ n g p h ổ gâ y ra bởi h iệ u ứ n g d o p p le r P h ổ m ở rộ n g n à y sẽ c ó c á c th à n h p h ầ n tro n g k h o ả n g từ (f-fd) đ ế n ( f + f d) với fd đ ư ợ c tín h Iheo c ô n g th ứ c (1.6)

T h ờ i g ia n k ế t h ợ p T c là tín h đ ố i n g ẫ u tro n g lĩn h vực thời g ia n c ủ a độ trải d o p p le r Đ â y là hai đại lư ợ n g tỷ lệ n g h ịc h với n h a u

J m

f m là d ịc h c h u y ể n d o p p lc r cực đại c h o bởi fm = v/x,

1.2.2 Kênh fa d in g và phân loại kênh fadin g

F a d i n g là h i ệ n tư ợ n g tín hiộu thu bị y ế u v à bị th ã n g g iá n g tại nơi thu

F a d in g q u y m ô n h ỏ p h ụ th u ộ c vào tín h c h ấ t tín h iệ u như: đ ộ rộ n g dải, c h u kỳ

lậ p lại, tín h c h ấ t k ê n h , n ó đư ợc đ á n h g iá b ằ n g đ ộ trải trễ r m s v à trải tần

Fading phẳng không làm méo ký hiệu, còn fading chọn lọc tần số thì làm méo ký hiệu gây nên ISI Thế nhưng nhược điểm này sẽ được khắc phục trong hệ thống O FD M , chi tiết hơn được trình bày trong chương 2 của luậnvăn này.

1.2.3 Các phán bô Rayleigh và Ricean

1.2.3.1 Phân bô'fading Rayleigh

Phân bố fading Rayleigh là mô tả thống kê sự thay đổi biên độ của tín hiệu nhận được trong kênh fading phẳng, hay của m ột thành phần riêng rẽ Trong kênh này, không có thành phần nào nổi trội, gồm nhiều thành phần đa đường, không có đường truyền nhìn thấy (LOS)

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:

Trong đó, r là độ lớn biên độ tín hiệu tại nơi thu, ơ2 là công suất Irung bình của tín hiệu theo thời gian

Phương sai của r:

1.2.3.2 Phân b ố fading Rice an

Kênh truyền có fading Ricean xảy ra khi trên nền kênh Rayleigh có thành phần nổi trộ i, thường đây là đường truyền nhìn thấy (LOS) Các phép thống kê cho dạng hàm mật độ xác suất của biên độ nhận được như sau:

Hàm phân bố Riccan thường diễn đạt qua thông số K

( /í ì

K(dB) = 10 log

V 2 ơ J

( 1 1 8 )

Khi A = 0 thì K (dB ) = - 00 tương đương với phân bố Rayleigh

Tóm lại, vì nhiều lý do như trên mà việc truyền tin trong m ôi trường vô tuyến là rất khó khăn, đặc biệt là thông tin tốc độ cao Với những ưu điểm của mình, O FD M đã khắc phục được các khó khăn trên O F D M là hệ thống rấtphù hợp với m ôi trường này

f ĐA! HOC

1RUNHTÂ:

¡loiỄ 1X7 1 0 «

C H Ư Ơ N G 2: T ổ N G Q U A N V Ể H Ệ T H O N G O F D M

O FD M là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở đây, dòng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn

và chúng được truyền đổng thời trên các sóng mang con O FD M vừa là một

kỹ thuật điều chế, cũng vừa là một kỹ thuật ghép kênh [4] Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ một ký hiệu O FD M sẽ tăng và trải trễ

đa đường sẽ giảm Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích họp trong m ỗi ký hiệu O FD M Với nhiều ưu điểm nổi bật, hệ thống O FD M đang ngày càng được triển khai rộng khắp trên thế giới

2.1 L ịc h sử h ìn h th à n h O F D M

Nguyên lý của O FD M đã dược đề cập đến vào khoảng năm 1966 Bắt đầu từ việc Chang ở phòng thí nghiệm BellLab đưa ra bài báo viết về truyền tín hiệu hạn băng trên nhiều sóng mang con Bài báo này đã chứng minh rằng

có thể lách nhiễu ISI mà không cần tới các mạch lọc hoàn hảo Các kết quả này đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt cả trong giới học thuật và công nghiệp K ỹ thuật của Chang được sử dụng đầu tiên trong một số hệ thống quân

sự tần số cao như K IN E P L E X , A N D E F T & K A T H R Y N

Năm 1967, Saltzberg đã phân tích các kết quả của Chang và gợi ý rằng nhiễu xuyên kề là một hạn chế chính trong các hệ truyền thông song song Gợi ý quan trọng này đã định hướng cho nhiều nghiên cứu và thiết kế hệ nhằm tránh ISI

Năm 1971, một bước ngoặt đã xảy ra, đánh dấu m ột bước phát triển mới của hệ thống O FD M Weinstein và Ebert đã áp dụng khai triển Fourier rời rạc (DFT) có dùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT vào hệ thống truyền dữ liệu song song trong quá trình điều chế và giải điều chế Hai nhà khoa học trẻ này còn đưa ra khái niệm khoảng bảo vệ G I, nghĩa là chèn vào những đoạn trống trước khi truyền tín hiệu đi G I có hai chức năng chính: triệt

ISI và khống chế ISI Hầu hết các hệ thống O F D M ngày nay đều dựa trên cấu trúc này.

Sau đó, C im in i (1985) đã đưa ra kỹ thuật O F D M cho kênh di động số Tiếp đến, năm 1989, Pelecl và Ruiz đã cải tiến và dùng tiền tố vòng CP CP giúp duy trì tính trực giao dù chất lượng kênh không tốt Với những cải tiến trên, hệ thống O FD M ngày nay đã được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: D A B /D V B , A S D L và mạng vô tuyến cục bộ W L A N

Cấu trúc một hệ O FD M được mô tả như sau:

2.2 Cấu trú c hệ thố ng O F D M

Ý tưởng chính trong kỹ thuật O FD M là phân chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N nhánh dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau

Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trinh điéu chế dữ liệu trên các sóng mang con Quá trình điều chế thực hiện trên cả pha và biên độ tạo thành các veclơ phức

Các vectơ phức này được điều chế ở dạng băng tần gốc bằng thuật toán IFFT và sau đó được chuyển lại ihành các dữ liệu nối tiếp để truyền dẫn

Dải bảo vệ được chèn vào giữa các ký hiệu để tránh ảnh hưởng của ISI

do truyền đa đường Sau đó các ký hiệu rời rạc này lại được chuyển đổi sang dạng analog băng tần gốc, qua bộ lọc thông thấp và điều chế sóng mang cao tần để phát lên trên kênh vô tuyến

Tại nơi thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát để tách lấy tín hiệu thông tin gốc Sử dụng bộ cân bằng đầu ra (One Tap Equalizer) nhằm sửa lỗ i kcnh truyền Hệ số đầu ra của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin

về kênh

D ữ l i ệ u n h ậ n

H ìn h 2.1 M ô hình hệ thông O F D M (Zou and Wu, 1995)

Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng mang con Sau khi ra khỏi bộ biến đổi s/p, các nhánh dữ liệu con với tốc độ

b it thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M -Q A M Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữliệu con K h i đó, các nhóm n b it (M = 2 n) trên m ỗi nhánh con sẽ được tổ hợplại với nhau để thực hiện 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 -Q A M Như vậy, mỗi

ký hiệu M -Q A M sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu, và có thể được biểu diễn bằng các vcctơ phức I - Q

Hình 2.2 là một ví dụ điều chế 16 Q A M , nó ánh xạ 4 bit trên m ỗi kýhiệu

Hình 2.2 Giản đồ chòm sao c.ủa điều chế 16 QAM

ở nơi thu, véc tơ I - Q là được ánh xạ ngược lại thành các b it dữ liệu Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và méo do nhiễu nhiệt hay kênh không hoàn hảo K h i đó các điểm trên mặt phẳng I - Q sẽ lại nhoè đi Bộ thu khi đó phải ước lượng được gần đúng nhất véc tơ truyền đi

L ỗ i sẽ xảy ra kh i nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm trong mặt phẳng I - Q, khi đó nó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định

do phần năng lượng nằm ngoài băng thông của các kênh nhỏ kế cận nhau gây ra) Do đó, phải có m ột phương thức biến đổi làm cho tín hiệu sau biến đổi ở các kênh nhỏ là trực giao với nhau Biến đổi Fourier thoả mãn điều này nên nó được dùng trong O F D M và có thổ áp dụng biến đổi Fourier nhanh FFT để đơn giản hoá việc tính toán Nhờ việc sử dụng IFF T/FFT mà số lượng các phép nhân phức giảm xuống nhiều, chỉ còn N/2 log2N phép nhân phức thay vì N phép nhân phức của bộ D FT thông thường M ô tả tín hiệu, tính toán quá trình biến đổi tín hiệu sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 4.

Sau kh i điều chế sóng mang theo biên độ và pha của dữ liệu, các sóng mang này đi tiếp đến bộ IFFT Thông thường, số sóng mang con Ihực sự được

sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFF T ncn những đầu vào còn thiếu

sẽ được gán các giá trị bằng không Tất cả những thao tác này được thực hiện

ở trong miền tần số Biến đổi IFFT sẽ thực hiện phép biến đổi chuyển sang miền thời gian và cho phép tiếp tục truyền tín hiệu đi

Ở phía thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát, dùng FFT

để khôi phục tín hiệu Hình 2.4 là sơ đồ m inh hoạ cho bước biến đổi IFFT trong quá trình phát

Hình 2.4 Mô tả biến đổi IFFT

2.2.3 Chèn và loại bỏ dải bảo vệ

Với cùng một dải thông, ta thấy tốc độ của ký hiệu O F D M nhỏ hơn khi truyền đơn sóng mang V í dụ hệ đơn sóng mang dùng điều chế BPBK, tốc độ

ký hiệu bằng tốc độ b it trong khi O FD M chia dải thông thành N sóng mang con vì vậy tốc độ ký hiệu nhỏ hơn N lần so với đơn sóng mang Tốc độ ký hiệu thấp khiến O F D M có tính kháng nhiễu cao so với ảnh hưởng của ISI do truyền đa đường

Những ảnh hưởng của ISI lên O FD M có thể được cải thiện hơn nữa khi thêm vào các dải bảo vệ trước m ỗi ký hiệu Dải bảo vệ được chọn sao cho nó

có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, khi đó thành phần đa đường sẽ không làm nhiễu đến thành phần kế tiếp

Dải bảo vệ chèn vào có thể là dải trống hoặc một ký hiệu đặc biệt Tuy nhiên khi chèn dải trống vào thì tuy tránh được hiện tượng ISI nhưng lại không tránh được hiện tượng nhiễu xuyên giữa các sóng mang IC I [4] V ì khi đó nếu tín hiệu O FD M bị tác động bởi kênh fading thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con thành phần nên tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu O FD M không còn nữa, dẫn đến IC I tăng lên

Để triệt ISI và tăng khả năng chống IC I thì dải bảo vệ chèn vào phải được chọn sao cho nó lợi dụng được tính chất vòng của biến đổi Fourier Tín hiệu trong đoạn bảo vệ sẽ là bản sao của đoạn cuối ký hiệu O FD M Do vậy tính tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian vẫn được duy trì và các sóng mang trong miền tần số vẫn Irực giao, không còn ICI

Hình 2.5 Chèn thêm dải bảo vệ

K ỹ thuật chèn này còn được gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lập CP Tại nơi thu, trước khi thực hiện các phép biến đổi s/p, FFT thì sẽ thực hiện việc gỡ

bỏ các tiền tố lặp này ra trước

K h i sử dụng kỹ thuật này thì chu kỳ của ký hiệu sẽ bị dài hơn, lương đương với hiệu suất sử dụng dải thông bị giảm xuống Nhưng việc sử dụng dải bảo vệ với các tiền tố lặp CP ngoài khả năng chống ISI và IC I rất tốt cho hệ thống thì kỹ thuật còn có một tác dụng rất lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu Trên thực tế thì độ dài dải bảo vệ này nên gấp từ 2 - 4 lần độ trải trễ cực đại và độ dài ký hiệu gấp khoảng 5 - 6 lần dải bảo vệ là phù hợp nhất

Vấn đề sử dụng kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP trong quá trình thực hiện đồng bộ sẽ được phân tích kỳ hơn trong các chương sau của luận văn

2.2.4 Chuyển đổi phát/thu

Tín hiệu băng gốc không đi xa được, vì vậy trước kh i phát lên kênh truyền, những ký hiệu O FD M phức này sõ kết hợp với sóng mang cao tần để

có thể phát đi xa

I

Dkjll.il 1 AiKikxiI

Hình 2.6 Minh hoạ phát tín hiệu lên kênh