CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

Các yếu tố ảnh hưởng tới phadinh đa đường: Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến fadinh qui mô nhỏ, đó là: - Sự truyền đa đường: Các vật phản xạ và tán xạ trong kênh gây

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

LỜI NÓI ĐẦU v

CHƯƠNG I: MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KấNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM 1

1.1.Giới thiệu chương: 1

1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM: 1

1.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation): 1

1.2.2 Phadinh: 2

1.2.2.1 Hiệu ứng đa đường: 2

1.2.2.2 Phadinh: 3

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới phadinh đa đường: 7

1.2.2.4.Trải trễ (Delay Spread): 8

1.2.3 Dịch Doppler: 9

1.2.4.Nhiễu: 10

1.2.4.1.Nhiếu AWGN: 10

1.2.4.2 Nhiễu liên ký tự ISI: 10

1.2.4.3.Nhiễu liên sóng mang ICI: 11

1.2.5 Các biện pháp giảm pha đinh: 12

1.2.5.1 Pha đinh băng hẹp(pha đinh phẳng) 12

1.2.5.2 Pha-đinh băng rộng (pha đinh lựa chọn tần số) 13

1.3 Kết luận chương: 15

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ OFDM 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 Nguyên tắc của OFDM: 16

2.3.Tính trực giao: 17

2.4.Hệ thống OFDM: 20

2.4.1.Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM: 21

2.4.2 Điều chế sóng mang con: 24

2.4.3.Điều chế sóng mang cao tần: 24

2.4.4.Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix): 25

2.4.5 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: 27

2.4.5.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới: 27

2.4.5.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt NAM: 27

2.5.Các kỹ thuật điều chế trong OFDM: 27

2.5.1.Điều chế BPSK: 28

2.5.2.Điều chế QPSK: 29

2.5.3.Điều chế QAM: 31

2.5.4 Mã Gray 32

2.6.Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM: 33

2.6.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM: 33

2.6.2 Các thông số trong miền thời gian 34

2.6.3 Các thông số trong miền tần số 34

2.7 Thông lượng kênh 35

2.8.OFDM đa đường dẫn và hiệu quả quang phổ: 35

2.9 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM: 37

2.9.1 Ưu điểm: 37

2.9.2 Nhược điểm: 37

2.10 Thiết kế và mô phỏng hệ thống OFDM: 38

2.10.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM: 38

2.10.2 Kết quả mô phỏng: 42

2.11 Kết luận chương: 43

CHƯƠNG III: VAI TRÒ CỦA OFDM TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX 44

3.1 Giới thiệu chương: 44

3.2 Khái niệm: 44

3.2.1.Fixed WiMAX (WiMAX cố định): 45

3.2.2.Mobile WiMAX (WiMAX di động): 45

3.3 Các chuẩn của WiMAX: 48

3.3.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001: 48

3.3.2 Chuẩn IEEE 802.16a: 48

3.3.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004: 49

3.3.4 Chuẩn IEEE 802.16e: 49

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại phadinh 7

Bảng 1.2 Các giá trị trải trễ thông dụng 9

Bảng 2.1.Các giá trị trong mã hóa 64QAM 24

Bảng 2.2 Mụ hỡnh điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn 28

Bảng 2.3.Mã Gray 32

Bảng 2.4: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004 40

Bảng 3.1 Các tính năng của WirelessMAN OFDM 58

Bảng 3.2 Minh hoạ hai kiểu trạm 68

Bảng 4.1 Các cấu hình kênh FUSC cơ sở 89

Bảng 4.2 Lý lịch trễ công suất đa đường của ITU cho thông tin di động 3G 90

DANH MỤC CÁC HèNH

Hình 1.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 2

Hình 1.2 Tín hiệu đa đường 3

Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 5

Hình 1.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k =Db (Rayleigh) và k = 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss 6

Hình 1.5: Trải trễ đa đường 8

Hình 1.6 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 11

Hình 1.7 Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh 13

Hình 1.8 Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền 14

Hình 1.9 Kênh truyền và bộ cân bằng 14

Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số 19

Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số 19

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 20

Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM 23

Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 25

Hình 2.7 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM 26

Hình 2.8 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường 26

Hình 2.9 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 29

Hình 2.10 Biểu đồ bản tin tín hiệu QPSK 31

Hình 2.12 Giản đồ IQ của 16-PSK khi dựng mó Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn 33

Hình 2.13 Cấu trúc tín hiệu OFDM 33

Hình 2.14 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 34

Hình 2.15 Đa đường dẫn trong các điều kiện kết nối NLOS 36

Hình 2.16 Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ 36

Hình 2.17 Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số 37

Hình 2.18:Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM 42

Hình 2.19:Dạng sóng tín hiệu OFDM phát 42

Hình 2.20: Dạng sóng tín hiệu OFDM thu 43

Hình 3.1: Các đặc tính của WiMAX 47

Hình 3.2.Cấu hình PMP 50

Hình 3.3.Cấu hình MESH 50

Hình 3.4 Khối giao thức 51

Hình 3.5 Điều chế thích ứng trong lớp vật lý 55

Hình 3.6 Cấu trúc khung OFDM đường xuống 57

Hình 3.7 Cấu trúc khung OFDM đường lên 57

Hình 3.8 Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 58

Hình 3.9 Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 59

Hình 3.10 Thí dụ về vùng số liệu trong ấn định OFDMA 61

Hình 3.11 Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào cỏc kờnh con và các ký hiệu trên đường xuống (trong chế độ PUSC) 62

Hình 3.12 Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào cỏc kờnh con và các ký hiệu cho đường lên 62

Hình 3.14 Mô tả về FDD và TDD 63

Hình 3.15 Cấu trúc khung của FDD 63

Hình 3.16 Cấu trúc khung của TDD 63

Hình 4.1: Hai chế độ song công TDD và FDD 72

Hình 4 2: Cấu trúc khung WiMAX OFDM 73

Hình 4.3: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng 74

Hình 4.4: Mô hình tái sử dụng tần số 77

Hình 4.5: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell 78

Hình 4.6: Mã hóa không gian- thời gian 79

Hình 4.7 : Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh 79

Hình 4.8: Trung tâm quản lý mạng WiMAX 80

Hình 4.9: Sơ đồ kết nối WiMAX 81

Hình 4.10: Mô hình mô phỏng kênh đường xuống 83

Hình 4.11 : Lưu đồ mô phỏng 84

Hình 4.12: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 86

Hình 4.13 : Mụ phỏng kờnh phadinh Rayleigh tại fDoppler = [17 49 114] HZ 87

Hình 4.14: Mô phỏng kênh phadinh chọn lọc tần số 87

Hình 4.15: Hiệu năng BER của cấu hình kênh 4 khi di chuyển và không di chuyển 88

Hình 4.16: Hiệu năng BER giữa kịch bản kênh số 2 và kịch bản kênh số 4 cho trường hợp cố định và di động 89

Hình 4.17: Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh số 3 và 4 cho trường hợp cố định và di động (vận tốc 125 Km/h) 89 Hình 4.18: Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh trong trường hợp cố định và di động tại vận tốc 125Km/h 90 Hình 4.19: Hiệu năng BER của cấu hình kênh 2 khi di chuyển và không di chuyển 90 Hình 4.20 : Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh số 3 và 4 cho trường hợp cố đinh và di động (vận tốc 125Km/h) 91 Hình 4.21 : Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh trong trường hợp di động tại vận tốc

125 Km/h 91

CHƯƠNG I MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KấNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM

1.1.Giới thiệu chương:

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh thông tin là một vấn đề được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm nhất là trong những năm gần đây Cùng với sự bùng nổ các nhu cầu ngày càng cao của xã hội thỡ cỏc cụng nghệ truyền dẫn mới cũng được ra đời và phát triển như công nghệ OFDM trong WiMAX Chính vì vậy, chương này sẽ trình bày tóm tắt về các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng truyền của kênh vô tuyến như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM

1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM:

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

Các yếu tố chớnh hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến Các yếu tố này là:

Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy hao nằm

trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách

Che tối:Vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu

Pha đinh đa đường và phõn tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm mộo tín

hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gõy ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference)

Nhiễu: Các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gõy

nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung

1.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation):

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 1.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu

Hình 1.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến

1.2.2 Phadinh:

1.2.2.1 Hiệu ứng đa đường:

Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lượng liên lạc Kênh vô tuyến di động có thể thay đổi từ dạng LOS (Line- Of -Sight) đến dạng bị che chắn bởi các chướng ngại vật cố định hoặc di động, hay nói cách khác là tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu được truyền theo nhiều đường khác nhau gọi là truyền dẫn đa đường

Truyền dẫn đa đường trong thông tin di động do ba cơ chế gây ra, đó là sự phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffaction) và tán xạ (Scattering) Hình 1.2 chỉ ra một số trường hợp

mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra

- Hiện tượng phản xạ xảy ra khi song điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích

cỡ rất lớn so với bước song Trong thực tế, phản xạ thường gây bởi các tòa nhà, các biển quảng cỏo…

- Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật cản có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật cản Nhiễu xạ là trường hợp tính đến năng lượng truyền từ máy phát tới máy thu không theo tia

nhìn thẳng Do đó nhiễu xạ còn được gọi là hiện tượng che khuất Nhiễu xạ thường gây bởi các vật thể như nhà cửa, ụ tụ…

- Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu

bị phân tán ra nhiều phía Trong các đô thị, các vật gây ra tán xạ thường là cột điện, biển quảng cỏo…

Hình 1.2 Tín hiệu đa đường

1.2.2.2 Phadinh:

Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn của sóng vô tuyến Không giống như cỏc kờnh truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thỡ cỏc kờnh truyền dẫn vô tuyến là rất ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán

Phadinh là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn (do tín hiệu từ cỏc súng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục)

Các cơ chế gây ra phadinh trong thông tin di động được phân chia thành phading theo phạm vi rộng (large-scale fading) và phadinh theo phạm vi hẹp (small- scale fading)

Large-scale fading chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km) đặc trưng cho sự suy giảm công suất của tín hiệu trung

bình (hay sự suy hao đường truyền) do sự thay đổi vị trí qua một khoảng cách lớn scale fading gây ra do ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu (như đồi núi, cao ốc…) Các số liệu thống kê về large-scale fading bổ trợ cho quá trình tính toán suy hao đường truyền theo hàm của khoảng cách Về độ suy giảm hay độ tổn hao đường truyền, large-scale fading được đánh giá bởi trung bình của tín hiệu thu qua khoảng cách 10-30dB lần chiều dài bước sóng λ

Large-Small- scale fading: Phụ thuộc vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ tín hiệu,…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler…), ta có thể phân laọi phadinh hẹp dựa trên hai đặc tính: trải trễ đa đường và phadinh chọn lọc tần số Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi

đó việc kênh phadinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số Vì thế thông

số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số Trải Doppler dẫn đến tán tần và phadinh chọn lọc thời gian, vì thế liên quan đến trải Doppler ta

có thể phân loại phadinh phạm vi hẹp thành phadinh nhanh và phadinh chậm

Trong các ứng dụng vô tuyến điện di động, sự chuyển động của máy phát và máy thu dẫn đến các thay đổi về đường truyền dẫn, do đó kênh truyền biến đổi theo thời gian Thuật ngữ phadinh nhanh (fast fading) được dùng đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhanh của các điều kiện truyền dẫn (hay tốc độ thay đổi nhanh của các suy giảm) Small- scale fading được gọi là Rayleigh fading nếu tại máy thu nhận được vô số đường phản xạ mà không có thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) và được gọi là fading có phân bố Rice nếu tồn tại thành phần tín hiệu trội

Phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất [7]:

)0

(2

exp)

r r

Với  là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection). 2 là công suất trung bình theo thời gian

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá tri R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy (CDF):

phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

()(



R dr

r p R r P R P

R r





 1.25332

)(]

[0

2 2

4292.02

22

)(]

0

177.1)

(2

như trong trường hợp dũ súng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố

light-of-bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean [7]:

(1.6)

A: biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

I o: là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa

công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

(1.7) Hay viết dưới dạng dB:

(1.8)

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A  0, k  0 (dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân

bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh

Hình 1.4 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean

Hình 1.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k =Db (Rayleigh) và k = 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

)0,0()

2 ) (

2

2 2 2

r

r A

Ar I e

r r

p

A r



 

2 2

2

2log10)(





Bảng 1.1:Tóm tắt các thông số của pha đinh băng rộng

Đại lượng Nếu “lớn” Nếu “nhỏ”

Trễ trải phổ

τ

Nếu τ >>

T: pha đinh lựa chọn tần số

Nếu τ << : pha đinh phẳng

Τ càng lớn có ảnh hưởng đến thời gian ký hiệu và gây ra hiện tượng ISI

Dải thông

kết hợp BC

Nếu 1/BC

<< T: pha đinh phẳng

Nếu 1/BC

>> T: pha đinh lựa chọn tần

Nếu fc.v≤

c; pha đinh chậm

Khi tỷ số fD/ BSC là không thể bỏ qua thì sự trực giao của các sóng mang con sẽ mất đi

Nếu TC≤ T; pha đinh nhanh

Bảng 1.1 Các loại phadinh

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới phadinh đa đường:

Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến fadinh qui mô nhỏ, đó là:

- Sự truyền đa đường: Các vật phản xạ và tán xạ trong kênh gây ra sự thay đổi môi

trường một cách không đổi, môi trường này phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian Các ảnh hưởng trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều đường truyền gây ra thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phadinh qui mô nhỏ hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai Sự truyền đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi với máy thu, điều này gây nên hiệu ứng ISI

- Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa

đến điều chế tần số ngẫu nhiên cho sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền

- Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động,

chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lờn cỏc kờnh truyền Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động thì hiệu ứng này trội hơn phading qui mô nhỏ Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh cú thờt bỏ qua và chỉ có tốc

độ của máy di động cần được xem xét

- Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng

của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng gián mạnh Nếu dải rộng của tín hiệu truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu được không bị méo dạng song cường độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh

1.2.2.4.Trải trễ (Delay Spread):

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

xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi nỳi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng

và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tín hiệu

đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các

hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghộp kờnh phân chia theo thời gian TDMA

Hình 1.5: Trải trễ đa đường Hình 1.5 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liờn kớ tự Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time)

Tín hiệu trực tiếp

Tín hiệu trễ

Tín hiệu thuđược

Bảng 1.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liờn kớ tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps

Bảng 1.2 Các giá trị trải trễ thông dụng

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

 Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông

ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM)

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

1.2.3 Dịch Doppler:

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bờn phớa phỏt Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần

số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức:

c f

f  o

 (1.9)

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

 là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

f olà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng

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

Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín

hiệu

1.2.4.Nhiễu:

1.2.4.1.Nhiếu AWGN:

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liờn ụ (inter-cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liờn kớ tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

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

có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vỡ xột trờn từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

1.2.4.2 Nhiễu liên ký tự ISI:

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường

Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký

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

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

chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đú.Trong

hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

1.2.4.3.Nhiễu liên sóng mang ICI:

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trờn các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chỳng trỏnh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các

dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyờn kờnh (ICI) như ở hình 1.6

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Hình 1.6 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ

bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

1.2.5 Các biện pháp giảm pha đinh:

Đặc tính pha-đinh là sự khác nhau quan trọng nhất giữa việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến Do pha-đinh lựa chọn tần số là nổi bật nhất trong cỏc kờnh băng

rộng- và do độ rộng băng của kênh băng rộng là lớn hơn rất nhiều độ rộng băng phù hợp B C

–nờn chúng ta đề cập đến cỏc kờnh với sự phân tán thời gian hay lựa chọn tần số trong đinh băng rộng và đến cỏc kờnh chỉ với sự phân tán về tần số hay lựa chọn thời gian trong pha-đinh băng hẹp Bõy giờ, chúng ta xem xét và chỉ ra sự khác nhau giữa pha-đinh băng rộng và pha-đinh băng hẹp để từ đó các biện pháp khắc phục

pha-1.2.5.1 Pha đinh băng hẹp(pha đinh phẳng)

Ảnh hưởng của pha đinh này là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này cường

độ tín hiệu thu sẽ bị giảm đáng kể vì suy hao thay đổi đáng kể Tính di chuyển của các thuê

bao trên khoảng cách lớn(>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao

và công suất thu thay đổi chậm

Có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục pha-đinh băng hẹp, nhưng cách phổ biến nhất và thường được dùng nhất là phân tập.Trong thông tin vô tuyến tốc độ cao, chỉ có sự phân tập mới khắc phục được hiện tượng pha-đinh này

Các loại phân tập thường dùng là:

Phân tập thời gian

Hai phương pháp quan trọng của phân tập thời gian là mó húa/đan xen và điều chế thích nghi (AMC) Kỹ thuật mã hóa và đan xen đưa vào một cách linh hoạt để tăng độ dư thừa trong tín hiệu được truyền đi; điều này làm cho tốc độ của tín hiệu giảm và vì vậy mà giảm đươc lỗi bit

Các máy phát cùng với việc điều chế thích nghi sẽ có thông tin về kênh truyền Và vì vậy, chúng sẽ chọn kỹ thuật điều chế mà đạt được tốc độ dữ liệu cao nhất có thể được trong khi vẫn giữ được BER ở mức yêu cầu

Trong phương trình (3.3), với M tăng, BER cũng tăng Vì tốc độ dữ liệu tỷ lệ với

log 2 M, chúng ta muốn chọn kích thước mẫu tự lớn nhất để mà đạt được BER theo yêu cầu

Nếu kờnh cú sự suy giảm mạnh thì sẽ không có ký hiệu nào được gửi đi để tránh tạo lỗi

(1.10)

 1 

5 1

2

Phân tập không gian

Phân tập theo không gian là một dạng phân tập khác cũng khá phổ biến và có hiệu quả, thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai hay nhiều hơn các ăng-ten tại cả máy phát và máy thu hay chỉ có ở máy phát hoặc máy thu Phân tập này còn được biết đến với tên gọi là hệ thống MIMO Dạng đơn giản nhất của phân tập theo không gian bao gồm hai ăng-ten thu, đó là nơi mà hai tín hiệu mạnh nhất được chọn Nếu các ăng-ten được đặt cách nhau một cách phù hợp, thì hai tín hiệu nhận được sẽ chịu ảnh hưởng một cách xấp xỉ hiện tượng pha-đinh không tương quan với nhau Kiểu phân tập này được gọi một cách hợp lý là phân tập lựa chọn và được minh họa trong hình 1.7 như sau:

Hình 1.7 Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh

Phân tập theo tần số

Phương pháp này được sử dụng để khắc phục hiện tượng pha đinh băng rộng

1.2.5.2 Pha-đinh băng rộng (pha đinh lựa chọn tần số)

Như đã biết, pha-đinh lựa chọn tần số gây ra sự phân tán trong miền thời gian, điều

này làm cho các ký hiệu lân cận giao thoa với nhau trừ khi T>>τ max Do tốc độ dữ liệu tỷ lệ

với 1/T , hệ thống có tốc độ dữ liệu cao hầu như lúc nào cũng có lan truyền trễ đa đường đáng kể, khi T<<τ max, và kết quả là bị nhiễu liên ký hiệu nghiêm trọng Việc lựa chọn kỹ thuật để chống lại nhiễu ISI một cách có hiệu quả là một quyết định quan trọng trong việc

thiết kế bất kỳ hệ thống tốc độ cao Rất nhanh chóng là OFDM là sự lựa chọn phổ biến nhất

cho việc chống lại ISI

- Cân bằng: Bộ cân bằng Equalizer được dùng để loại bỏ nhiễu liên ký hiệu

(Intersymbol Interference_ISI) và các nhiễu nhiệt (noise) được thêm vào Nhiễu ISI sinh ra

do sự trải trễ của các xung phát dưới tác động phân tán tự nhiên của kênh truyền Điều này dẫn đến sự chồng lấn của các xung kế cận nhau gây ra nhiễu liên ký tự Chẳng hạn như trong môi trường tán xạ đa đường, một ký hiệu có thể được truyền theo các đường khác

nhau, đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, do đó có thể giao thoa với các ký tự khác

Trờn hình 1.8, ta thấy tín hiệu x(t) được diều chế bốn mức (Pulse Amplitude Modulated_PAM), tín hiệu x(t) được phát qua kờnh cú đáp ứng xung h(t) Nhiễu nhiệt noise n(t) được thêm vào Ta thấy tín hiệu thu được là r(t) đã bị méo dạng so với tín hiệu phát x(t)

Để khắc phục nhiễu ISI và cải thiện chất lượng của hệ thống, có nhiều phương pháp khác nhau nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng bộ cân bằng Equalizer được sử dụng để bù lại các đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền

Hình 1.9 Kênh truyền và bộ cân bằng

- Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS (Direct Sequence Speread Spectrum):

Được dùng để giảm ảnh hưởng của méo ISI gây bởi kênh chọn lọc theo tần số nhờ khả năng đặc biệt của các hệ thống trải phổ trong loại trừ nhiễu Trong kênh đa đường, hệ thống trải phổ coi ISI cũng như các tín hiệu phản xạ đa đường bị trễ như là một loại nhiễu Nếu máy thu được đồng bộ với tín hiệu LOS thì tín hiệu đó sẽ được nhân với mã trải phổ và khôi phục tại máy thu trong khi đó các tín hiệu phản xạ đa đường khác được coi như nhiễu và bị loại trừ

- Hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequence Hopping Spread Spectrum): Có

thể sử dụng như một kỹ thuật giảm mộo gõy bởi phadinh chọn lọc theo tần số, miễn là tốc

Hình 1.8 Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền

độ nhảy ít nhất phải bằng tốc độ symbol Khác với DS/SS, cơ chế chống đa đường của FS/SS là thay đổi rất nhanh tần số sóng mang phát đi và tần số máy thu trước khi xuyên nhiễu do tín hiệu đa đường đưa tới

- Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequence Divớion Multiplexing): Được sử dụng

để truyền tín hiệu trong cỏc kờnh frequence selective fading trỏnh dựng cỏc bộ Equilizer bằng cách kéo dài khoảng thời gian symbol Trong hệ thống OFDM, chuỗi Symbol tốc độ cao được chia thành N nhóm song song có tốc độ thấp hơn và được điều chế bởi các sóng mang trực giao Mục đích là giảm tốc độ symbol (hay tốc độ tín hiệu) W=1/Ts trên mỗi sóng mang thấp hơn băng thông tương quan của kênh fo

Do thời gian có hạn, đồ án này chỉ trình bày biện pháp khắc phục các ảnh hưởng của kênh truyền bằng truyền dẫn nhiều sóng mang mà cụ thể là kỹ thuật ghộp kờnh phân chia theo tần sô trực giao OFDM

1.3 Kết luận chương:

Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu khi truyền đi trong không gian, các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM, các dạng phadinh và cách khắc phục Qua đó chúng ta cũng nhận thấy trải Doppler gây ra

do chuyển động tương đối giữa MS (trạm di động) và BTS (trạm thu phát gốc) Trải trễ xảy

ra do trễ đa đường OFDM đưa ra giải pháp cho kênh phadinh chọn lọc tần số vỡ nú có thể chuyển phadinh chọn lọc tần số vào phadinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trung bình quân phương

Từ những nghiên cứu ở chương I ta rút ra nhận xét: OFDM là một giải pháp ưu việt bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng xử lý đa đường, chống phading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Nguyên lý cơ bản của OFDM

sẽ được trình bày chi tiết ở chương II

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ OFDM

2.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc

biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao OFDM cũn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trờn cỏc kờnh băng hẹp

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT

và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho

bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh làm nền cho các chương sau

2.2 Nguyên tắc của OFDM:

Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng

dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ Hình (2.1) so sánh phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).

BSCM và BMCM chỉ băng thông của tớn hiờu MCM và SCM Với MCM, fk,Fk(f;t), NSC và f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ

Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau





 Nsc

k k MCM f t F f t S

1

)

;()

;( (2.1) Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần của tín hiệu thu SCM, MCM được viết như sau

k k

MCM MCM

SCM SCM

t f F t f H

t f S

t f H t

f R

t f S

t f H t

f R

1

)

;()

;(

)

;()

;()

;(

)

;()

;()

;(

(2.2)

ở đây SSCM(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và Hk(f;t) là hàm truyền tương ứng với dải tần Bk Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của Hk(f;t) được xem như là không đổi trên Bk, vì vậy RMCM(f;t) xấp xỉ bằng

1

)

; ( ) ( )

; ( (2.3)

ở đây Hk(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng Bk

Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh

vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số Việc khôi phục ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM

2.3.Tính trực giao:

Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc

và các bộ giải điều chế thông thường Trong cỏc mỏy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được

dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số

tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa cỏc súng là bội số của 1/T Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn(Orthogonal basic) i(t)/i0,1 có tính chất sau:

T i

0

1)

()(

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần

số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuụng góc với nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vectơ

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số

Nếu hai sóng sin cú cựng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của sú luụn khỏc khụng Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kĩ thuật xử

2.4.Hệ thống OFDM:

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang con Dữ liệu phỏt trờn mỗi sóng mang được mã hóa

vi sai và điều chế mã M-QAM Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên mỗi ký hiệu được bổ xung vào đầu chuỗi Bộ điều chế này thực hiện điều chế đơn sóng mang

Sau đó được đưa đến đầu vào của khối IFFT Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời gian tương ứng biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế cỏc chựm tín hiệu trờn cỏc sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu Trong trường hợp, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế

Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyờn kờnh (ICI) do truyền trờn cỏc kờnh vô tuyến di động đa đường Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần, một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở

rộng của tín hiệu phát Điều này cho phép dễ dàng khồi phục định thời ký hiệu nhờ tỏch súng đường bao Độ dài khoảng bảo vệ GI cần phải vượt quá trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh nhiễu đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 đến ẳ thời giam ký tự, làm giảm SNR từ 0,5 đến 1Db

Tiếp đó là tiến hành chèn từ đồng bộ khung Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trờn cỏc kờnh sẽ cú cỏc nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) Trong khối kênh truyền dẫn

vô tuyến, một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát Mô hình cho phép điều khiển

tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường được mô tả bằng bộ lọc FIR,

độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi 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 từ song song về nối tiếp

2.4.1.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 sóng mang 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 lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

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∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

(

N

k

ft k j

) ( )

( )

(

N

k

N fT nk j s

N

n a a

s

e k X T

x n

{X(k)}

)

( )

(

1

0

/ 2

IDFT N

e k X n

x

N

k

N nk j





Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều 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

*

)(}

)({x)

) ( 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 sao cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,Ts] Tức là, phải thỏa mãn công thức sau :

l m

dt e X e

T

t j m

l s

2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật 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 chế QAM khác nhau trờn cỏc sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trờn cỏc kờnh truyền 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 tín hiệu phức X(k) có độ dài N là :

2(

1, ,1),

()

'

N N

n k N X

N n

k X k

Và

) 0 ( Im(

) ( '

) 0 ( Re(

) 0 (

'

X N

X

X X





Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM

2.4.2 Điều chế sóng mang con:

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, cỏc dũng bit trờn cỏc nhỏnh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành cỏc nhúm cú Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q

Bảng2.1.Các giá trị trong mã hóa 64QAM

2.4.3.Điều chế sóng mang cao tần:

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được cho ở hình (2.7) Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghộp cỏc kờnh I và Q

2.4.4.Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix):

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyờn kờnh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký

tự phát kề nhau.Vậy sau khi chốn thờm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính

là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Ta có Ts = Tg + TFFT

Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ

thuật số Hình 2.5.Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở

phức sử dụng kỹ thuật tương tự

(

1,,

1,)

()(

N n

n x

n N n x n

(2.11)

Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được cỏc xuyờn nhiễu ICI, ISI Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau

Hình 2.8 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường

Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường :

h

1

) (

)

Với : Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k

Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian

m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vỡ nú cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM

2.4.5 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM:

2.4.5.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới:

- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting For Terrestrial

Transmission)

- Hệ thống phát thanh số đường dài DRM (Digital Radio Mondiale)

- Truy cập Internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line)

- Các chuẩn IEEE 802.11a, IEEE 802.11g

- Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High Peformance

Local Area Netword type 2)

- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn WiMAX)

2.4.5.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt NAM:

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL hiện nay đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB- T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HyperLAN/2, IEEE 802.11a và IEEE 802.11g cũng sẽ được khai thác rộng rãi ở Việt Nam Hiện tại trong thông tin di động đó cú một số công ty của Việt Nam thử nghiệm WiMAX ứng dụng công nghệ OFDM như VTC, VNPT, Viettel

2.5.Các kỹ thuật điều chế trong OFDM:

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử

dụng băng thụng kờnh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức d n =

a n + b n ở ngõ ra Cỏc kớ tự a n , b n có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK

Bảng 2.2 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc

độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

2.5.1.Điều chế BPSK:

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng để biểu

diễn cỏc kớ hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[7]

])(2

cos[

2)

T

E t

b

b i

2 , 1

; 0

; ) 1 ( ) (t  i   t T b i 

 (2.13)

Hay: 1( ) 2 cos [2f t ]

T

E t

b b

]2

cos[

2)

(]

2cos[

2)

T

E t

S t

f T

E t

b

b c

b

b

(2.14)

Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit ; E b: Năng lượng của 1 bit

θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

b c

b

T t t

f T

( ) 2 cos(2 );0

Khi đó, S1(t)  E b(t)

S2(t)  E b(t) (2.15)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai

điểm bản tin (M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình sau:

Hình 2.9 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức

t T

E t

) ) ( 2 cos(

.

2 )

(2.17)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0

4 ) 1 2 ( )

 t  i (2.18)

Trong đó: i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

Khai triển s(t) ta được:

0

;

) 0

( ) 2 sin(

4 )]

1 2 sin[(

2 ) 2 cos(

] 4 ).

1 2 cos[(

T t t

f i

T

E t

f i

πf T

t

Φ1( )   2 sin(2 c ) 0  (2.20.a)

T t t

πf T

t

Φ2( )  2 sin(2 c ) 0   (2.20b)

4)12cos[(

)(]4)12sin[(

)()

i E

t i

E t t

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:

)4,3,2,1(4

)12cos[(

]4)12sin[(

E

i E

Hình 2.10 Biểu đồ bản tin tín hiệu QPSK

Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E, còn logic '0' thì biến đổi vào E Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.[7]

2.5.3.Điều chế QAM:

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) Ở sơ

đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.[7]

Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:

1( ) 2 0 cos(2 ) 2 0 b sin(2 f t);(0 t T)

T

E t

f a

T

E t

Trong đó: E 0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

a i , b i : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc"

Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:[7]

T t t

πf b

T t

a πf t t T

T t

Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM )

16-Bảng 2.3.Mã Gray

Hình 2.12 Giản đồ IQ của 16-PSK khi dựng mó Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay

đổi một bit đơn

2.6.Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM:

2.6.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM:

Hình 2.13 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu

và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng.TFFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, TGlà thời gian bảo vệ Twin là thời gian cửa sổ

Quan hệ giữa các thông số là:

win G FFT

T    (2.25)

Hình 2.13 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu

và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng

2.6.2 Các thông số trong miền thời gian

Từ hình 2.13 có thể tỏch cỏc thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu sym

T , thời gian FFT TFFT, thời gian bảo vệ TG, thời gian cửa sổ Twin Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.25) trở thành:

G FFT

2.6.3 Các thông số trong miền tần số

Hình 2.14 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con Nsub Quan hệ giữa chúng là: BNsubf

Hình 2.14 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con