Đồ án tốt nghiệp - Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong WIMAX

Trong những năm gần đây , kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày càng một phát triển. Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên mạng thông tin toàn cầu. Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu. Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này. Tuy OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như: nhạy cảm với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ cũng phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang, song những ưu điểm vượt trội của OFDM là rất lớn. Vì lẽ đó ứng dụng nó trong thông tin là rất phổ biến. Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ OFDM, OFDMA hiện nay. Trong phạm vi đề tài này, em xin trình bày về “Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong WIMAX”.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 0

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 2

1.1 Khái niệm OFDM 3

1.2 Hệ thống OFDM 4

1.3 Nguyên lý OFDM 6

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 7

1.5 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM 10

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM 12

1.7 Ưu điểm của hệ thống OFDM 16

1.8 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 17

1.9 Kết luận 17

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN TRONG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 19

2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 19

2.2 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) 20

2.3 Hiệu ứng fading 21

2.3.1 Fading chậm(slow fading) : 22

2.3.2 Fading nhanh(Fast fading) : 22

2.3.3 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng : 23

2.4 Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter) 26

2.5 Phổ Doppler (Doppler spectrum) 26

2.6 Trải phổ Doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time): 29 2.9 Kết luận 30

CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM 31

3.1 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 32

3.1.1 Nhận biết khung 32

3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 33

3.1.2.1 Ước lượng phần thập phân 34

3.1.2.2 Ước lượng phần nguyên 35

3.2 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM 36

3.2.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 36

3.2.1.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu 36

3.2.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang 37

3.2.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM 37

3.2.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot 38

3.2.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP 39

3.2.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC : Frame synchronization Code) 40

3.2.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM 42

3.3 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 42

3.4 Kết luận 43

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 44

4.1 Kỹ thuật WIMAX 44

4.1.1 Giới thiệu chung về Wimax 44

4.1.2 Đặc điểm của Wimax 45

4.1.2.1 Lớp vật lý 45

4.1.2.2 Lớp MAC 46

4.1.3 Các chuẩn của Wimax 53

4.1.4 Mô hình hệ thống 56

4 1 5 Dịch vụ trên mạng Wimax 57

4.2 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 59

4.3 Đặc điểm: 59

4.4 OFDMA nhảy tần 61

4.5 Hệ thống OFDMA 62

4.5.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 68

4.5.2 Điều chế thích nghi 69

4.5.3 Các kĩ thuật sửa lỗi 70

4.6 Điều khiển công suất 75

4.7 Kết luận 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AM AMPLITUDE MODULATION

A/D ANALOG / DIGITAL

ATM ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE

BER BIT ERROR RATE

BS BASE STATION

CIF COMMON INTERLEAVED FRAMES

CCITT CONSULTALIVE COMMITTEE ON INTERNATIONAL

TELEPHONE AND TELEPHONE

CU CAPACITY UNIT

COFDM CODE ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPEXING

CP CYCLIC FREFIX

DAB DIGITAL AUDIO BROADCASTING

DSP DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

DVB DIGITAL VIDEO BROADCASTING

DVB-T DIGITAL VIDEO BROADCASTING - TERRESTRIAL ETSI

EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARDS INSTITUTEDQPSK DIFFERENCES QUADRATURE PHASE- SHIFT KETING

D/A DIGITAL / ANALOG

DAVIC DIGITAL AUDIO VISUAL COUNCIL

DFT DISCRETE FOURIER TRANFORM

ETSI EUROPEAN TELECOMMUNICATION STANDARDS INSTITUTEECCA EUROPEAN CABLE COMMUNICATION ASSOCIATION

FM FUNCTION MANAGEMENT

FEC FORWARD ERROR CORRECTION

FIB FORWARD INDICATOR BIT

FDM FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX

FCC FEDERAL COMMUNICATION COMMISSION

HDSL HIGH- DATA- RATE DIGITAL

HDTV HIGH DEFINITION TELEVISION

ICI INTER- CHANNEL INTERFERENCE

ISI INTER - SYMBOL INTERFERENCE

IDFT INVERSE DISCRETE FOURIER TRANSFORM

LPF LOWPASS FINLTER

MPEG MOVING PICTUES EXPERT GROUP

MS MOBILE STATION

MC MULTI CARRIER

OFDM ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING

OFDMA ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESSSOFDMA SCALABLE ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION ACCESSPCM PULSE CODE MODULTION

PSK PHASE SHIFT KEYING

PAPR PEAK AVERAGE RATIO POWER RATIO

QAM QUADRATURE AMPLITTUDE MODULATION

QPSK QUADRETURE PHASE SHIFT KEYING

QOS QUALITY OF SERVICE

RANB RADIO ACCESS NETWORK BANDWIDTH

RF RADIO FREQUENCY

SFN SINGLE FREQUENCY NETWORK

SI SIDE INFORMATION

SC SINGLE CARRIER

SNR SIGNAL TO NOISE RATIO

VLSI VARY LARGE SCALE INTERGRATION

WIMAX WORLDWIDE INTEROPERABILITY FOR MOCROWAVE ACCESS

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống OFDM 4

Hình 1.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 6

Hình 1.3: Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 7

Hình 1.4: Phổ năng lượng trong OFDM 8

Hình 1.5: Dải bảo vệ trong một ký hiệu 8

Hình 1.6: Đáp ứng tần số của các subcarrier 9

Hình 1.7: Phổ của tín hiệu OFDM 12

Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM 14

Hình 1.9: Phổ của 4 sóng mang trực giao 15

Hình 1.10: Phổ của 4 sóng mang không trực giao 15

Hình 1.11: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 16

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 20

Hình 2.2: Hiện tượng đa đường trong truyền sóng vô tuyến 21

Hình 2.3: Đáp ứng xung khi truyền một xung RF 23

Hình 2.4: Minh hoạ fading lựa chọn tần số 24

Hình 2.5: Hiệu ứng Doppler 27

Hình 2.6: Phổ công suất Doppler 28

Hình 3.1: Các quá trình đồng bộ trong OFDM 32

Hình 3.2: Pilot trong gói OFDM 39

Hình 3.3: Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 40

Hình 3.4 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC 41

Hình 4.1: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 45

Hình 4.2: Mô hình một hệ thống Wimax 56

Hình 4.3: Triển khai dịch vụ trên hệ thống Wimax 58

Hình 4.4: OFDM và OFDMA 60

Hình 4.5: Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 60 Hình 4.6:Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước

Hình 4.7: 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 62

Hình 4.8: Tổng quan về hệ thống sử dụng OFDMA 62

Hình 4.9: Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 63

Hình 4.10: OFDMA downlink 64

Hình 4.11: Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink 65

Hình 4.12: OFDMA uplink 65

Hình 4.13: Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink 66

Hình 4.14: Phân phối sóng mang cho các user 67

Hình 4.15: Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian 68

Hình 4.16: Điều chế thích nghi 70

Hình 4.17: Ví dụ về một ma trận mã LDPC 72

Hình 4.18: Sơ đồ tạo mã RS 74

Hình 4.19: Sơ đồ syndrome thu của RS 75

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây , kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiếntriển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trênInternet, điện thoại di động có mặt ở khắp nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đaphương tiện di động đang ngày càng một phát triển Việc nghiên cứu và phát triểnđang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyềnthông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên mạng thông tin toàn cầu

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vàođặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băngthông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tácđộng qua lại của các tín hiệu

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho nhữngdịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sửdụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM -Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trong những giải pháp đangđược quan tâm để giải quyết vấn đề này

Tuy OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như: nhạycảm với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bìnhcao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ cũngphức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang, song những ưu điểm vượt trội của OFDM làrất lớn Vì lẽ đó ứng dụng nó trong thông tin là rất phổ biến

Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ OFDM, OFDMA hiện nay Trong phạm

vi đề tài này, em xin trình bày về “Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trongWIMAX”

Nội dung bao gồm :

Chương 1 : Giới thiệu về kĩ thuật OFDM

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, các phươngthức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ những

ưu điểm nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM

Chương 2: Các vấn đề của kênh vô tuyến trong truyền dẫn tín hiệu

Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền trongtruyền dẫn tín hiệu đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số mặtđất DVB_T

Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong OFDM

Chương này trình bày tổng quan về vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnhtrên công suất trung bình ( PAPR ) trong hệ thống OFDM

Chương 4: Kỹ thuật OFDM, OFDMA trong WIMAX.

Mô tả và trình bày rõ ứng dụng của kĩ thuật OFDMA trong WIMAX

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành số lượng lớn các kênh con,mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênhcon Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗiluồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con nàytrực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng nàylàm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốttrong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật

RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyếnvới chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao

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

số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lặp Mỗi kênhcon được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênhtần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạnđược xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sửdụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữanhững năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấpnhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau mộtkhoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại xung nhiễu vànhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một quan hệ toán học chính xác giữanhững tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phânchia tần số thông thường , nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tínhiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường.Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào những sóng mangkhác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế vàgiải điều chế Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu.Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằngviệc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộgần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số(DSP) đã làm cho chip FFT tốc độ cao, kích thước nhỏ có thể đáp ứng cho mục đíchthương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đángkể

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

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa vàghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệuđộc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độclập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mãhóa và sau đó ghép kênh lại để tạo nên sóng mang OFDM

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

có thể liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nướcchảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia

ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nướcthông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả

hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứngkhác nhau đối với nhiễu.

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải Ta có haiphương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn

xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trongtrường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mấtmát

liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao Sau đó được đưa đến đầu vàocủa khối IFFT Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự(ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường

và tiến hành chèn từ đồng bộ khung Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếchđại công suất và phát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đếnnhư nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN)

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạcnhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyểnđổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT(khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên

độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từsong song về nối tiếp

Một số quá trình trên cần phải chú ý:

Quá trình điều chế các tín hiệu số: Các bit dữ liệu vào được ánh xạ vào một

kí hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM

Quá trình chuyển đổi nối tiếp sang song song: Tiến trình này thực hiện việc

phân tách trong một luồng bit có tốc độ R thành N luồng bit nhỏ, mỗi luồng nhỏ này

có tốc độ R/N Các luồng nhỏ này sau đó sẽ được đưa vào điều chế với các sóngmang khác nhau

Quá trình biến đổi IFFT: Trước đây, việc điều chế các luồng bit nhỏ vào

các sóng mang riêng rẽ trực giao với nhau là rất khó khăn Tuy nhiên gần đây,phương pháp xử lí FFT đã giải quyết được khó khăn đó Chính vì vậy FFT đó được

sử dụng làm phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao IFFT được dùng ở bênphát để chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian còn FFT được sử dụngbên thu để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Quá trình chuyển đổi từ song song sang nối tiếp: Quá trình này thực

hiện công việc chuyển đổi các luồng mẫu sau khi điều chế IFFT thành một luồngchung

Quá trình điều chế cao tần : Các tín hiệu OFDM cơ sở (baseband) sẽ

được điều chế lên sóng cao tần để phát ra Anten

1.3 Nguyên lý OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước

khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đótrên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điềunày được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảngthời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, chonên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên kí tựISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệtrong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM được mởrộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ISI

Hình 1.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khôngchồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đasóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuynhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyênnhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

Hình 1.3: Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

Hình trên cho thấy nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM, các bit (hoặc luồng

bit, tùy vào loại điều chế) thông tin b1,b2,.,.bn được điều chế bởi các sóng mang Ψ1,

Ψ 2, Ψ n trực giao với nhau Sau đó các sóng mang thông tin này được cộng trong

bộ tổng ∑ thành tín hiệu s(t) để truyền đi Tính trực giao giữa các sóng mang là yếu

tố quan trọng nhất trong kĩ thuật OFDM

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM.

Xét về mặt vật lý

Hai sóng mang trực giao với nhau thì khi giải điều chế tín hiệu này, bộ giảiđiều chế sẽ không nhận thấy các tín hiệu kia Kết quả các tín hiệu sẽ không gâynhiễu lên nhau

Xét về mặt toán học

Hai sóng Ψp(t), Ψq(t) gọi là trực giao với nhau khi nó thỏa mãn công thức:

q p Khi q

Trong đó Ψq(t) là liên hiệp phức của Ψq(t)

Có nhiều bộ hàm trực giao nhưng nổi tiếng nhất là hàm lũy thừa tạo cơ sở chophép biến đổi Fourier Ψk(t)=ejɷkt với ɷk=ɷ0+2πk/T, với T là chu kỳ tín hiệu của mộtsymbol Đây là cơ sở cho việc sử dụng biến đổi FFT trong hệ thống OFDM

Xét về mặt phổ

Điểm phổ có năng lượng cao nhất của sóng mang này sẽ rơi vào điểm khôngcủa sóng mang kia

Như hình 1.4 dưới đây :

Hình 1.4: Phổ năng lượng trong OFDM

Để tránh hiện tượng nhiễu ISI giữa các kí hiệu lân cận nhau trong điều chếOFDM, người ta giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ Tg, đoạn nàychính là bản sao của ký hiệu tích cực trong Tg ,Ts là độ dài theo thời gian của mộtsymbol, N là số sóng mang, BW là toàn bộ băng thông

Hình 1.5: Dải bảo vệ trong một ký hiệu

Đoạn thêm vào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho kýhiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉbằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh

Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.

Hình 1.6: Đáp ứng tần số của các subcarrier

a) Mô tả phổ của subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn

thấy của bộ thu OFDM

b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier ( đường tô đậm)

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

Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của xung tại các tần số sóng mang vớiphổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các vị tríkhác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc Hình dạng của hình sinc

có một búp chính hẹp vào nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm và các tần số xatrung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cảcác tần số là bội số của 1/T Hình 1.6 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giátrị không của tất cả subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng các sử dụngDFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.6a, mà là những mẫu rời rạc Phổcủa tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theothời gian, các mẫu tần số chồng lấp giữa các subcarrier không ảnh hường tời bộ thu

Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó

có tính trực giao giữa các subcarrier

1.5 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM.

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật

điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóngmang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớnthì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giảiquyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thaythế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗikênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biếnđổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiệnphép biến đổi DFT/IDFT

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

Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

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

fk = n∆fTín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

2

)()

( N

k

ft k j

/ 2 ) ( )

( )

k

N fT nk j s

N

n a

()

(n 1X k e 2 / N IDFT

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng cóchiều dài là N nhưng trong miền thời gian

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

Thật vậy, ta có :

N nk j N

n

a n e x n

DFT

k

0 a

1 0

/ ) ( 2

1 0

1 / ) ( 2

)(

)(

N

m

k m m

0 1

) (

n khi

n khi n



Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác

biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :

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

l m

dt e X e

l

T

t j

có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữacác sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng

bộ trong hệ thống

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

hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác

3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chếQAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênhtruyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT Tín hiệu vào bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có

độ dài N Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tínhiệu phức X(k) có độ dài N là :

2 (

1 , , 1 ),

( )

'

N N

n k N X

N n

k X k

X Và '((0)) Re(Im( ((00))

'

X N

X

X X

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM.

ISI ( intersymbol- channel interference) là hiện tương nhiễu liên kí hiệu ISI

xảy ra do hiệu ứng đa đường, do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thờigian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ragiao thoa giữa các ký hiệu ISI truyền qua nó Hậu quả, làm cho máy thu quyết định

ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải thiện bằng cách thêm vào mộtkhoảng thời gian bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Nếu khoảng thời gian ký hiệu lớnhơn trải trễ cực đại của kênh pha đinh thì kênh được gọi là kênh pha đing phẳng.Ngược lại kênh sẽ có tính chất chọn lọc tần số gọi là kênh chọn lọc tần số Việc thiết

kế máy thu đối với kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơn rất nhiều so với kênhpha đinh phẳng

Thấy rõ, với cùng độ rộng băng tần hệ thống như nhau thì tốc độ ký hiệuOFDM thấp hơn nhiều so với sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang đồng nghĩa với thờigian của ký hiệu OFDM được tăng lên, vì vậy khả năng đối phó ISI (do kênh gây ra)tăng lên Ngoài ra, để tăng dung sai đa đường, có thể mở rộng chiều dài ký hiệuOFDM, bằng cách thêm một khoảng thời gian bảo vệ vào phần đầu mỗi ký hiệu.Mặt khác, khoảng thời gian bảo vệ của tín hiệu OFDM cũng giúp chống lại lỗi dịchthời trong bộ thu

Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ, thì khoảngbảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra theo cách copy phần cuối ký hiệu lênphần đầu của cùng ký hiệu Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệuOFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc copy phầncuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạntại điểm nối Hình 1.8 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ

Chiều dài tổng của ký hiệu là T sym  T G  T FFT, trong đó T sym là tổng chiều dàicủa ký hiệu, T G là chiều dài của khoảng bảo vệ, và T FFT là kích thước IFFT được

sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM

Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn địnhtrong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu

có không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có

dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổcực đại nữa và gây ra xuyên nhiễu sóng mang (ISI) Mỗi sóng mang có dạng sin với

số nguyên lần lặp với khoảng FFT, tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đạitần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mangkhác

Hình 1.9: Phổ của 4 sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị củasóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồmiền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT.ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Dopplertrên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mấttính trực giao giữa chúng

Hình 1.10: Phổ của 4 sóng mang không trực giao

ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của

máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM

f n-1 + δf=0f f n + δf=0f + fn+1+ δf=0f

Δff

δf=0f ≠ 0

Hình 1.11: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn,

và dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu Các hoa tiêu giúp cho việc ướctính, cân bằng được thực hiện để bù ICI

1.7 Ưu điểm của hệ thống OFDM.

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta

có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau:

1 OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp nhữngsóng mang con

2 Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh còn fading phẳng bănghẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thốngsóng mang đơn

3 OFDM loại trừ xuyên nhiều symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóngmang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol

4 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thốngOFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần sốcủa các kênh

5 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thíchứng được sử dụng trong những hệ thống đơn mang sóng.

6 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điềuchế làm giảm độ phức tạp của OFDM

7 Các phương pháp điều chế vi sai (differential modulation) giúp tránh yêucầu vào bổ sung bộ giám sát kênh

8 OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets)hơn so với các hệ thống sóng mang đơn

9 OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp

1.8 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.

Ngoài các thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyếtnhư sau:

1 Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn Vì tất cả các

hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-AveragePower Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đạicông suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệuOFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng làmtăng độ phức tạp của các bộ biến đổi analog sang digital và từ digital sang analog.Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion)trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

2 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thốngđơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệthống sóng mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mangcon trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điềuchế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiếtyếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM

1.9 Kết luận.

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trongchương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuậnlợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử

lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến và việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM Chínhnhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóngmang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN TRONG

TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng vai trò

quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống Bản chất biếnđổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng,thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càngphức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng củakênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môitrường truyền dẫn một cách hợp lý Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnhhưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình sốquảng bá mặt đất DVB_T

2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)

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 (multipath) Tín hiệunhận lại được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởngnhư: Suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đađường(multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss)

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: Sự mở rộng vềmọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từmặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rấtchậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến.

2.2 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation)

Các hiệu ứng dưới đây làm cho năng lượng gửi từ trạm phát tới trạm thu bị suy

hao

Sự phản xạ:

Sóng radio bị phản xạ trên bề mặt một số vật liệu,hiện tượng này thường được

lợi dụng để lái sóng truyền đi giữa các trạm không ở trong tầm nhìn thẳng nhưnghiện tượng này sẽ gây ra hiệu ứng đa đường Việc các tia sóng đập vào vật chắntrong quá trình truyền lan rồi bị phản xạ lại cũng gây ra suy hao

Sự hấp thụ:

Sóng radio có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu như: nước, nhựa thảm ….

Suy hao trên khoảng cách địa lý:

Sóng điện từ truyền trong không gian có độ suy hao tỷ lệ với bình phương của

khoảng cách truyền sóng

Suy hao trên đường (path loss):

Do hiện tượng suy hao ở trên sinh ra Trong môi trường truyền sóng là văn phòng

làm việc, vị trí kê đồ đạc, tường và bàn ghế và ngay cả sự di chuyển vị trí của conngười cũng góp phần làm gia tăng suy hao trên đường truyền sóng

2.3 Hiệu ứng fading

Hình 2.2: Hiện tượng đa đường trong truyền sóng vô tuyến

Fading nhiều tia hay còn gọi là hiệu ứng đa đường:

Là hiện tượng xảy ra khi tín hiệu từ cùng một nguồn phát được truyền đến nguồnthu theo nhiều đường khác nhau do một phần năng lượng sóng bị phản xạ vàochướng ngại vật trên đường đi Các tia tín hiệu này lệch pha với nhau và gây ra hiệntượng tăng mức năng lượng hoặc giảm mức năng lượng bên thu Hiện tượng nàyđược thể hiện trên hình 2.2

Fading lựa chọn tần số:

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

sóng phản xạ đến đầu vào máy thu Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đườngcủa công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tínhiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếukhông có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách :

- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMAnhằm giảm bớt suy hao

- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóngmang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM) Tínhiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số

sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất Thông tin trong cácsóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuậnFEC

Trải trễ (Delay spread):

Là khoảng thời gian giữa tín hiệu được truyền đến nơi thu đầu tiên và cuối cùng.

Trong hệ thống số, delay spread gây ra hiện tượng nhiễu xuyên kí tự (ISI) Tín hiệu

truyền trước đó có thể chồng lên tín hiệu đến tiếp sau, gây ra các lỗi rất nghiêmtrọng Khi tốc độ truyền tăng, thời gian giữa các bit nhận được bị thu ngăn slaij vàxác suất xảy ra giao thoa xuyên ký tự tăng lên , vì vậy hiện tượng đa đường làm hạnchế tốc độ truyền tối đa, và đặt ra cho nó một giới hạn trên Thông thường, để xử lý

hiện tượng đa đường, tức là giảm thiểu delay spread, người ta phải giảm tốc độ

truyền, điều này dẫn tới sự ra đời của OFDM

2.3.1 Fading chậm(slow fading) :

Slow fading gây ra do sự cản trở của các tòa nhà và địa hình tự nhiên như đồi

núi Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đườngtruyền do khoảng cách truyền bị thay đổi Sự thay đổi trong suy hao đường truyềnxuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vàokích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF Vì sự thayđổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm

2.3.2 Fading nhanh(Fast fading) :

Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh

mobile Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau ở mỗi đường truyền này sẽ

có thời gian truyền khác nhau Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đađường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 2.3 Mỗi xung tương ứng vớimột đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó Đối với tín hiệutần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tínhiệu Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sựquay pha khác nhau Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăngcường hoặc suy giảm Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng lại tại bộ thu là bé

hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tin hiệu có cùng pha vàtăng cường lẫn nhau.

Hình 2.3: Đáp ứng xung khi truyền một xung RF 2.3.3 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng :

Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do

đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số Pha thuđược, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bướcsóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vìthế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số Khoảng cáchtruyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũngkhác nhau Hình 2.4 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường Đường thứ nhấthướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách

25m Đối với Hình 2.3: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi

đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00

cho mỗi đường Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau Nếu chúng ta thayđổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λ hay cópha là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha

là 0,778× 3600 = 2800 Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảmbiên độ tín hiệu ở tần số này

Hình 2.4: Minh hoạ fading lựa chọn tần số

Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bịtriệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thểđược tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó Băng thông Coherent tỷ lệnghịch với độ trải trễ của kênh Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số khôngkết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông

Coherent B c của kênh Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường

bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi Δff Hz và Δft giây Hệ số đường bao kết

hợp là:

2 2

2 0

) 2 ( 1

) 2 ( )

, (

với J 0 là hàm Bessel bậc không, f m là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ

của kênh Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môitrường khác nhau

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

Bên trong các toà nhà < 0,1 μssKhu vực ngoài trời < 0,2 μssKhu vực ngoại ô 0,5 μssKhu vực thành thị 3 μss

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δft thành

không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thông Δff khi hệ sốđường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó

5 , 0 )

2 ( 1

1 )

0 ,

Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băngthông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặctính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số Các kênhlựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễdài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát Trongtrường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi Cầnchú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fadingnhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy,ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng củafading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộcrất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thờigian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị trảiqua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện

Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbolphải nhỏ hơn băng thông Coherent Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phảigiảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được.

Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khuvực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

2.4 Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter).

Để phân biệt,so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường ,người ta sửdụng các thông số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(mean excessdelay) ,trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excess delay spread).Cácthông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ thu của các thànhphần đa đường (power delay profile) Excess delay, ,là khoảng thời gian chênh

lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến bộ thu đầu tiên Tính chất tán xạ thờigian(time dispersive) của kênh truyền dẫn đa đường dải rộng được thể hiện quathông số mean excess delay, ,và rms delay spread,  được định nghĩa làmoment cấp một của power delay profile:

k k

k k k k k

P

P a

a

) (

) ( 2

a k, P( k): biên độ,công suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường

Rms delay spread () là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của powerdelay profile:

a

)(

)( 2 2

2 2 2

2.5 Phổ Doppler (Doppler spectrum).

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler shift

vào việc truyền một sóng mang chưa điều chế tần số f c từ BS Một MS di chuyểntheo hướng tạo thành một góc i với tín hiệu nhận được từ thành phần thứ I như

đó đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ I của tín hiệu sẽ bị thay đổi một

 : Bước sóng của tín hiệu

Dấu “-“ cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS

Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyển của MS

trong suốt khoảng thời gian t :

f D v i f m i

 cos  cos

 (2.8)

Với f m =v/  =vf c /c là độ dịch tần doppler cực đại ( từ tần số sóng mang được

phát đi ) do sự di chuyển của MS

Chú ý rằng , tần số Doppler có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc i Tần

số Doppler cực đại và cực tiểu là f m ứng với góc i=00 và 1800 khi tia sóng

truyền trùng với hướng MS di chuyển :

Điều này tương tự với sự thay đổi tần số của tiếng còi xe lửa được tiếp nhậnbởi một người đứng ở đường ray khi xe lửa đang tới gần hoặc đi xa dần người đó.Trong một môi trường truyền dẫn thực,tín hiệu đến bộ thu bằng nhiều đườngvới khoảng cách và góc tới khác nhau Vì vậy, khi một sóng sin được truyền đi, thay

vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất (Doppler shift i

c D

c

vf

f  cos ) tại đầu thu,

phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ f c (1-v/c) đến f c (1+v/c) và được gọi là phổ Doppler.

Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả các hướng di chuyển của mobile hay nói cáchkhác là tất cả các góc tới là như nhau (phân bố đều ),mật độ phổ công suất của tínhiệu tại bộ thu được cho bởi :

1

1 2

) (

f

f f f

K f

Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán xạ

thời gian của kênh truyền Tuy nhiên,chúng không cung cấp thông tin về sự thay đổi

tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển tương đối giữa MS và BS hoặc do sự

di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn.Doppler spread và

coherence time là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh

truyền

Doppler spread B D là thông số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo

thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ

tần doppler nhận được là khác không.Khi một sóng hình sin có tần số fC được

truyền đi ,phổ tín hiệu nhận được ,phổ doppler,sẽ có các thành phần nằm trong

khoảng tần số f c -f d đến f c +f d với f d là độ dịch tần do hiệu ứng doppler Lượng phổ

được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và góc

i

 giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS.Nếu độ rộng

phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là không

đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm Coherence time T c chính là

đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mô tả

sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền.Doppler spread

và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau :

T c1/f m (2.10)

Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền không thay

đổi Nói cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sự tương quan

với nhau về biên độ Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so

với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt

thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu Coherence time được định

nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5,khi đó [2]:

m c

với f m là tần số doppler cực đại: f m =v/ 

Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC tín hiêụ

truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khi phương trình 2.17

lại quá hạn chế Vì thế, người ta thường định nghĩa TC là trung bình nhân của haiphương trình trên :

m m

c

f f

c

f v fv

f c

T

m

22 2

1 16

9 16

9 16

2.9 Kết luận.

Sau khi phân tích các tính chất của kênh vô tuyến, chúng ta thấy được rằng, việcthêm vào khoảng thời bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dẫn sóng mangcon song song sẽ hạn chế được rất nhiều ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên tín hiệuOFDM

Trong chương tiếp theo, để chúng ta hiểu rõ hơn về kĩ thuật điều chế OFDM,sẽtrình bày các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM, việc đồng bộ,ước lượng kênhcũng như các kĩ thuật giảm PAPR trong hệ thống OFDM

CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ thống OFDM, đã tìm hiểu về

các vấn đề của kênh vô tuyến trong truyền dẫn tín hiệu và nhận thấy rằng các hệthống OFDM có thể đáp ứng được với ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, fadingphẳng, fading lựa chọn tần số bằng cách chèn thêm vào khoảng thời bảo vệ vàtruyền dẫn song song các sóng mang con tốc độ symbol thấp Bên cạnh nhữngthuận lợi trên, các hệ thống OFDM cũng có các bất lợi Ba trở ngại chính của hệthống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối cùng là vấn đề tỷ sốcông suất đỉnh trung bình PAPR lớn

Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điềuchế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu Ở phía thu,thông thường thì bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộgiải mã đã biết thời khoảng ký tự Bởi vì quá trình điều chế và xuyên nhiểu kênhnên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đócần phải ước lượng và đồng bộ chúng Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sựgiải mã dữ liệu(ở bên ngoài) còn phải giải quyết sự đồng bộ hoá(ở bên trong)

Đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Mộttrong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởilỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóngmang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu cácsóng mang nhánh phải có tính trực giao Khi mà đồng bộ tần số lấy mẫu biến đổidưới 50 xung/phút(ppm) sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Các khoảngdịch tần số và thời gian ký tự có thể gây ra nhiễu ICI, ISI và phải tìm cách giảm cácnhiễu này

Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộtrong hệ thông OFDM đó là: Các lỗi gây nên sự mất đồng bộ; vấn đề nhận biếtkhung; ước lượng và sửa chữa khoảng dịch tần số; điều chỉnh sai số lấy mẫu Chúng

ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: Đồng bộ kí tự, đồng bộ khối,đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Cuối cùng, chúng ta xét các

kĩ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

3.1 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM.

Như đã trình bày ở trên, khi giả sử rằng các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát

và phía thu là chính xác thì hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ khoảngdịch tần số sóng mang và thời khoảng ký tự Khoảng dịch tần số sóng mang gây nênnhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời ký tự gây ra nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM,nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ mạnh hơn nhiễu ISI nên độ chính xác tần sốsóng mang yêu cầu nghiêm ngặt hơn thời khoảng ký tự Trong hệ thống OFDM, quátrình đồng bộ gồm có ba bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng tần(pha), bámđuổi pha Như mô tả ở hình 3.1

Hình 3.1: Các quá trình đồng bộ trong OFDM

Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phânmiền thời gian Để ước lượng khoảng dịch tần số, sử dụng mối tương quan trongmiền thời gian của các ký tự pilot kề nhau ước lượng phần thực của khoảng dịch tần

số, còn phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền tần số Sựdịch pha do lỗi ước lượng khoảng dịch tần số cũng như pha được tối ưu bằng cáchdùng vòng khoá pha số(DPLL)

3.1.1 Nhận biết khung.

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các ký tự OFDM Đa số các sơ đồđịnh thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa phần tín hiệu OFDM được lặp lại đểtạo ra một sự định thời ổn định Những sơ đồ như vậy không thể cho vị trí định thờichính xác, đặc biệt là khi SNR thấp Để nhận biết khung chúng ta sử dụng chuỗi PN

Nhận biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

FFT Bám đuổi

mã

Ước lượng kênh Giải mã