kỹ thuật ofdm và ứng dụng trong truyền hình số dvb

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, gh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

HÀ NỘI – 2013

MỤC LỤC Mục lục

Các từ viết tắt

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Lời mở đầu

Chương 1: Tổng quan về đề tài

1.1 Lý do chọn đề tài……… 1

1.2 Mục đích nghiên cứu……… 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu……… 1

1.4 Phạm vi nghiên cứu……… 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu……… 2

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……… 2

1.7 Kết cấu của đề tài……… 2

Chương 2: Hệ thống OFDM 2.1 Đặt vấn đề……… 4

2.2 Khái niệm OFDM……… 6

2.3 Nguyên lý OFDM ……… 7

2.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM……… 8

2.4.1 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM……… 10

2.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)……… 11

2.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM……… 14

2.7 Ưu điểm của hệ thống OFDM……… 17

2.8 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM……… 18

2.9 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM……… 19

2.9.1 Nhận biết khung………

20

2.9.2 Ước lượng khoảng dịch tần số……… 21

2.9.2.1 Ước lượng phần thập phân……… 21

2.9.2.2 Ước lượng phần nguyên……… 22

2.10 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM……… 23

2.10.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM……… 24

2.10.1.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu……… 24

2.10.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang……… 24

2.10.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM……… 25

2.10.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot……… 26

2.10.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP……… 27

2.10.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC : Frame synchronization Code)……… 28

2.10.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM……… 30

2.11 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)……… 30

2.12 Kết luận……… 31

Chương 3: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu 3.1 Đặt vấn đề……… 33

3.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)……… 33

3.3 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation)……… 33

3.4 Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading)……… 35

3.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng……… 35

3.6 Thông số tán xạ thời gian (Time dispertin parameter)……… 38

3.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum)……… 39

3.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time)……… 41

3.9 Kết luận……… 43

Chương 4: ứng dụng kỹ thuật OFDM trong truyền hình số DVB 4.1 Đặt vấn đề……… 44

4.2 Tổng quan về DVB……… 45

4.2.1 Hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB – S……… 46

4.2.2 Hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB-C……… 47

4.2.3 Hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất DVB – T……… 47

4.3 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T……… 49

4.4 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T……… 50

4.5 Lựa chọn điều chế cơ sở……… 51

4.6 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang……… 52

4.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ……… 55

4.8 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T……… 56

4.9 Kết luận……… 56

Chương 5: Mô phỏng hệ thống OFDM 5.1 Đặt vấn đề……… 58

5.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink……… 58

5.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình……… 61

5.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền……… 61

5.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM……… 62

5.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM……… 63

5.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER……… 65

5.4 Kết quả chương trình mô phỏng……… 66

5.4.1 Giao điện chính của trương trình……… 66

5.4.2 So sánh tín hiệu QAM và OFDM……… 67

5.4.3 So sánh âm thanh……… 68

5.5 Kết luận chương……… 68

Kết luận………69

Tài liệu tham khảo………72

Phụ lục……… 72

Các từ viết tắt

IDFT Biến đổi Furrier rời rạc ngược

MC Multi Carrier

SC Single Carrier

COFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai

D/A Digital/Analog

CCITT International Telegraph and Telephone Consultative

PAPR Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dưới

sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Khang Tác giả xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tham gia giảng dạy lớp cao học chuyên ngành kỹ thuật truyền thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tác giả những bài học bổ ích trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp là nguồn cổ vũ động viên để tác giả hoàn thành luận văn

Dù đã rất cố gắng nhưng luận văn cũng không tránh khỏi khiếm khuyết, rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 11 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Văn Chiến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình

số DVB” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Luận văn được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn tài liệu, sách báo chuyên nghành và thông tin trên mạng Nội dung của luận văn này được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo được liệt kê ở cuối luận văn

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Những kết quả tính toán, mô phỏng trong luận văn là trung thực

Hà Nội, tháng 11 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Văn Chiến

LỜI MỞ ĐẦU

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 mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày 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 “làng thông tin toàn cầu”

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc 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) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên em đã lựa chọn đề tài “kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số DVB” Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như : nhạy 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

Nội dung của đề tài gồm 5 chương:

Toàn bộ luận văn được chia thành 5 chương với các nội dụng tập trung như sau: Chương 1 : Tổng quan về đề tài

Trong chương này trình bày tổng quan về: Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài

Chương 2: Hệ thống OFDM

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống OFDM , các phương thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ những ưu nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM Trong chương còn trình bày tổng quan về vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM

Chương 3 : Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

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

Chương 4 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số DVB

Trong chương đã nêu được các hệ thống DVB: Như DVB –S, DVB –C, trong

đó hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu quả rất lớn trong truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả năng chống lại nhiễu ISI, ICI gây ra do hiệu ứng đa đường thông tin cần phát được phân chia vào một lượng lớn các sóng mang Các sóng mang này chồng lên nhau trong miền thời gian

và tần số và được mã hoá riêng biệt, do đó giao thoa chỉ ảnh hưởng đến vài sóng mang và tối thiểu hoá âm thanh của nhiễu

Chương 5 : Mô phỏng hệ thống OFDM

chương trình mô phỏng hệ thống OFDM Mô phỏng hệ thống OFDM với simulink của Matlab nhưng chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản So sánh tín hiệu QAM và OFDM trong kênh truyền để thấy được ưu điểm của OFDM

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy PGS-TS Nguyễn Văn Khang và các Thầy Cô trong Viện Điện tử viễn thông, Trường ĐH BKHN đã giúp

em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do thời gian hạn chế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Tháng 11 Năm 2013

Học viên thực hiện:

Nguyễn Văn Chiến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, sự phát tiển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày 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 “ làng thông tin toàn cầu ”

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc 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) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên em đã chon đề tài nghiên cứu “OFDM và ứng dụng trong truyền hình số DVB”

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Từ việc tìm hiểu các các kỹ thuật trong hệ thống OFDM đã được trình bày trong các chương, nghiên cứu các ứng dụng của OFDM mà hiện nay đang ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến Công nghệ này là lựa chọn kết hợp giữa các phương pháp điều chế cổ điển và các phương pháp đa truy cập vô tuyến Qua đó chúng ta thấy được kỹ thuật OFDM có những ưu điểm để đáp ứng đối với truyền hình số mặt đất DVB – T

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận văn tập trung nghiên cứu vào một số vấn đề sau

- Các thông số kỹ thuật của hệ thống OFDM

- Mô hình hệ thống OFDM

- Các thông số kỹ thuật trong truyền hình số DVB

- Phần mền matlab và simulik để mô phỏng so sánh tín hiệu

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận văn chỉ tập chung đi nghiên cứu, tìm hiểu các vấn đề kỷ thuật OFDM,

hệ thống OFDM, các thông số kỹ thuật của truyền hình số DVB –T, sử dụng matlab

và simulink để so sánh tín hiệu OFDM và QAM

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận văn sử dụng một số phương pháp sau

- Phương pháp phân tích

- Phương pháp So sánh

- Phương pháp thống kê

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Việc nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật OFDM và các chỉ tiêu của truyền hình số DVB cho thấy kỹ thuật này đáp ứng tốt trong tryền hình số DVB và có thể nó là kỹ thuật trong tương lai cho truyền thông đa sóng mang Thực tế trong đề tài đã làm nổi bật được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM đã mô phỏng được hệ thống OFDM,

so sánh được các tín hiệu OFDM và QAM

1.7 KẾT CẤU ĐỀ TÀI

Toàn bộ luận văn được chia thành 5 chương với các nội dụng tập trung như sau:

Chương 1 : Tổng quan về đề tài

Trong chương này trình bày tổng quan về: Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài

Chương 2: Hệ thống OFDM

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống OFDM , các phương thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ những ưu nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM Trong chương còn trình bày tổng quan về

vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM

Chương 3 : Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

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

Chương 4 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số DVB

Trong chương đã nêu được các hệ thống DVB: Như DVB –S, DVB –C, trong

đó hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu quả rất lớn trong truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả năng chống lại nhiễu ISI, ICI gây ra do hiệu ứng đa đường thông tin cần phát được phân chia vào một lượng lớn các sóng mang Các sóng mang này chồng lên nhau trong miền thời gian

và tần số và được mã hoá riêng biệt, do đó giao thoa chỉ ảnh hưởng đến vài sóng mang và tối thiểu hoá âm thanh của nhiễu

Chương 5 : Mô phỏng hệ thống OFDM

chương trình mô phỏng hệ thống OFDM Mô phỏng hệ thống OFDM với simulink của Matlab nhưng chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản So sánh tín hiệu QAM và OFDM trong kênh truyền để thấy được ưu điểm của OFDM

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG OFDM 2.1 Đặt vấn đề

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao - OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một 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 kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong 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 tuyến với 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 lắp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh

tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp

nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một

khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và

nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu 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 giữa những sóng mang khác 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 và giải 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 bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Bên cạnh những thuận lợi trên, các hệ thống OFDM cũng có các bất lợi Ba trở ngại chính của hệ thống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối cùng

là vấn đề tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn

Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điều chế 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 bộ giải mã đã biết thời khoảng ký tự Bởi vì quá trình điều chế và xuyên nhiểu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải 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 Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu các sóng mang nhánh phải có tính trực giao Khi mà đồng bộ tần số lấy mẩu biến đổi dưới 50 xung/phút, sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Các khoảng dịch tần số và thời gian ký tự có thể gây ra nhiễu ICI, ISI và phải tìm cách giảm các nhiễu này

Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM đó là: Các lỗi gây nên sự mất đồng bộ, vấn đề nhận biết khung, ước lượng và sửa chửa 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 ký tự, đồng bộ khối, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Cuối cùng, chúng ta xét các kỹ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

Với những lý do đó mà Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình

số (DVB)

2.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn

bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

Hình 2.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

2.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao

là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (multiple information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn

có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con: f (t),

n=0,1, , N −1, t1 t t2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các sóng

mang con được truyền có thể được viết là:

f n(t)exp(j2f n t) (2.2)

Trong đó : j  1 và f n  f0 nf  f0 n/T (2.3)

f 0 là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (2.1) ta

có :

2

1 2

1

/)(2exp)

()

(

t

t t

T t m n j T

t m n j

/)(2

/)(2exp/

)(2

T t t m n j T

t m n j

/)(2

/))(

(2exp1/)(2

(2.4) luôn đúng

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

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng

sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực

giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các

sóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp

các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng

mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả

sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

2.4.1 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

TX Power

Frequency (carrier spacing)

(b)

Hình 2.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi 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).

TX Power

Frequency (carrier spacing)

(a)

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 các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các

vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( fT) Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số

xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất

cả các tần số là bội số của 1/T Hình 2.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 2.3a , mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới 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

2.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con (subcarrier)

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng lớn modem subchannel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy

biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol

QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc

điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i

là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời

symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t s có thể được

viết như sau:

t t t t T

T

i f j d

t

N

N i

s c

N i

2

2 / exp 2 0,5 ( ) , tRe

)

T t

s( )0, tts và t ts 

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha

và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng

Hình 2.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (2.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên

hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l được nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),

Serial

to parrellel

OFDM signal

) / (

exp( jN s tt s T

) / ) )(

2 (

Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM

còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt

tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết

quả nhân sẽ bằng không

t

N

N i

s N

i s

t t T

l j

1 2

2

2

)(2

T d dt t t T

l i j d

s s

T t

t

s N

1 2

(

s

N

i i

N

in j d

n

(2.8)Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật

toán cơ số 2 chỉ cần có (N/2)log2(N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ

số 4 thì chỉ cần (3/8)log2(N 2) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần

số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

2.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước

đó

Hình 2.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Chẳng hạn như ở hình 2.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/c

khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian

kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu , vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, các

anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM, đây cũng

là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc

độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông

được chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệ này chính

là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ

có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 1.6 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: T s T G T FFT với T s là

chiều dài tổng cộng của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T FFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 2.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

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

nó 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 phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang

có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 2.7 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao

Hình 2.7 Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 2.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.

ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả

là mất tính trực giao giữa chúng 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

Hình 2.8 Phổ của bốn sóng mang không trực giao

2.7 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 những sóng mang con

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

3 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (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 thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

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

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

7 Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào 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

2.8 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như 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-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ 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 thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM

2.9 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 khoảng dịch tần số sóng mang và thời khoảng ký tự Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu 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 số sóng mang yêu cầu nghiêm ngặt hơn thời khoảng ký tự Trong hệ thống OFDM, quá trình đồng bộ gồm có ba bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng tần (pha), bám đuổi pha Như mô ta ở hình 2.9

Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền thời gian Để ước lượng khoảng dịch tần số, sử dụng mối tương quan trong miền 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 Sự dịch pha do lỗi ước lượng khoảng dịch tần số cũng như pha được tối ưu bằng cách dùng vòng khoá pha số(DPLL)

Nhận biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

2.9.1 Nhận biết khung

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các ký tự OFDM Đa số các sơ đồ định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định Những sơ đồ như vậy không thể cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp Để nhận biết khung chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hoá vi phân Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác Chuỗi PN được phát như là một phần của phần đầu gói OFDM Tại phía thu, các mẫu tính hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các ký tự OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan

Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc vào trễ đa đường(được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu) Đỉnh tương quan lớn nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này dùng để định vị ranh giới ký hiệu OFDM Một điểm mấu chốt là do nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số nên sai lệch pha không được bù giữa các mẫu tín hiệu do khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ tính tương quan của chuỗi PN Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng sin Khi không có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa

là chuỗi PN có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết Metric định thời kết quả được biểu diễn như sau:

*

)()1(

)()

phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và 2- tỷ lệ của các giá trị phần tử trung tâm

và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định

2.9.2 Ước lượng khoảng dịch tần số

Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số giữa phía phát và phía thu Khoảng dịch tần số là vấn đề đặc biệt trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với

hệ thống đơn sống mang Để BER tăng không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang, điều này sẽ không khả thi khi

hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động thạch anh chất lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng dịch tần số nào

Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai ký tự OFDM dẫn đường trong đó ký

tự thứ hai bằng với ký tự thứ nhất dịch sang trái Tk(với Tk là độ dài tiền tố lặp CP) Các mẫu tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T(đó là độ dài ký tự FFT) là giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha e-j2π(ΔfcT)do khoảng dịch tần số

Khoảng dịch tần số được phân thành phần nguyên và phần thập phân:

 fcT  A   (2.10)

Ở đây A phần nguyên và (1/2;1/2) phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tính hiệu cách nhau một khoảng thời gian T Phần nguyên được tìm thông qua chuỗi PN được mã hoá vi phân thông qua các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự dẫn đường

2.9.2.1 Ước lượng phần thập phân

Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được biểu diễn như sau:

( ) ( ) exp(j2 2 T ) z(l)

N

l l

s l

y     (2.11)

Ở đây l là chỉ số mẫu( miền thời gian); y(l) là mẫu tín hiệu thu; N là tổng số sóng mang nhánh; z(l) là mẫu nhiễu Và thời gian mẫu tín hiệu s(l) được biểu diễn như sau

)

N

l2.exp(j2)()

(

1)(

(

N

l

N l y l y

J (2.13)

Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau:

arg 2

1

J



Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu ở trong (2.13), J có thể được khai

triển và sắp xếp thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian Biểu thức định nghĩa phần thập phân:

  ^  (2.15) Khi đó độ lệch chuẩn của lỗi được tính như sau:

SNR N

E

.2

1]

10 ln 12

10 )

(  (2.17)

Điều này không đáng kể trong hệ thống có giá trị N lớn

2.9.2.2 Ước lượng phần nguyên

Đối với ước lượng phần nguyên: 2N mẫu tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài

là phần thập phân đầu tiên được bù:

Giả sử sự ước lượng phần thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT:

' '

1 y (0), ,y(N 1) s z

' '

2 y (N), ,y ( 2N 1 ) s z

Trong trường hợp này vector ρ có các thành phần : s(l)e 2 N l [0,N)

l A j





.Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu , một số ký hiệu FFT mới có thể được tạo ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, nghĩa là:

2 1 2

)()

(

1)(

N

l

N

l n j N

l A j

e l z e

l s N n

U(k)C(k)kmod(nA.N) Z(n) (2.18) Một chuỗi PN được mã hoá vi phân qua các sóng mang nhánh lân cận để ước lượng xoay vòng phần nguyên A Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa kết quả với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất xác định A

2.10 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),

đồng bộ tần số sóng mang(carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization)

2.10.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM

Trong kỹ thuật đồng bộ tần số chúng ta quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số.Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số gây ra bởi sai khác giữ hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu

có dạng hàm Sin) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Đồng bộ tần

số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang

2.10.1.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là

sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)

 Ước lượng tần số

Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng , người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL) Một vấn

đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang , tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn Điều đó chứng tỏ hai vấn

đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra

2.10.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

Lỗi thời gian

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh

Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống

sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên

độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization)và đồng bộ tinh (fine synchronization)

Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang

do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

2.10.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot

Phương pháp này được giới thiệu lần đầu vào năm 1993 cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần Theo đó, máy phát sẽ sử dụng mã hoá một số kênh nhánh với tần số và biên độ biết trước Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ

Thuật toán đồng bộ gồm ba bước: Nhận biết công suất (Power detection), đồng

bộ thô (coarse synchronization), đồng bộ tinh (fine synchronization) Nhiệm vụ của

nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách dò công suất thu và so sánh với mức ngưỡng

Bước đồng bộ thô, tín hiệu sẽ được đồng bộ ban đầu với độ chính xác khá thấp

là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác trong bước này là không cao, song nó sẽ làm đơn giãn thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo Để

thực hiện đồng bộ thô, người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu và bản sao của tín hiệu phát (được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan Tần suất ước lượng các điểm phải gấp bốn lần tốc độ tính hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan

Ở bước đồng bộ tinh, do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên kể cả ảnh hưởng của lỗi đồng bộ, đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong thời khoảng của CP (vì thời khoảng của CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu) Vì vậy lỗi pha sóng mang ở các kênh nhánh chắc chắn là

do lỗi thời gian gây nên Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng Các ký tự pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý Thông thường ký tự pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM như hình 2.10 :

2.10.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP

Phương pháp này chủ yếu dựa trên ý tưởng cơ bản là xét hiệu hai mẫu tín hiệu

thu cách nhau N bước:

d(m) = r(m) – r(m+N) với N là số sóng mang nhánh N cũng bằng số điểm lấy

mẫu tương ứng với phần có ích của ký tự OFDM (không kể cả CP), khi đó:

PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 OFDM_N Trailer

Nếu r(m) và r(m+N) tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời

khoảng của cùng một ký tự OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên công suất

của d(m) thấp

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

suất trung bình của ký tự OFDM

Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng đúng bằng thời khoảng của CP ( tức

là điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì cửa sổ này trùng với thành phần CP của ký tự OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung

bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này Do đó, có thể ước lượng được thời điểm

bắt đầu của ký tự OFDM, đồng bộ thời gian sẽ được thực hiện

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

Đồng bộ khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu của khung ký tự để tìm thấy

vị trí chính xác của cửa sổ FFT.Những thuật toán đồng bộ khung ký tự truyền thống (dùng ký tự pilot, dùng CP, .) thì dựa vào sự quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của ký tự Nhưng các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của ký tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường

Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng

bộ khung ký tự và vùng dữ liệu cho truyền dẫn ký hiệu OFDM như hình 2.11

Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau: