Anh huong do lech pha trong OFDM

Trong luận văn với đề tài: “Ảnh hưởng của độ lệch pha trên OFDM”, chúng tôi giới thiệu sơ qua về các khái niệm trong truyền thông di động, trình bày cấu trúc cùng các vấn đề quan trọng trong một hệ thống OFDM và giải quyết vấn đề về độ lệch pha trên hệ thống này. Các khái niệm bao gồm những hiện tượng thường xảy ra trên đường truyền như suy giảm, Fading đa đường, Doppler. Ở đây, chúng tôi xét hai kênh truyền di động là kênh Gaussian và kênh Fading Rayleigh. Chúng tôi cũng giới thiệu các dạng nhiễu trong thông tin di động như ISI, ICI, CCI. Fading là một hiện tượng đôi khi gây ra sự suy giảm nghiêm trọng và một phương pháp hữu hiệu để chống lại nó là sử dụng tính phân tập, chúng tôi trình bày tính phân tập phân chia theo theo thời gian, không gian và tần số. Tiếp theo hệ thống OFDM được trình bày cùng các vấn đề tiêu biểu như hệ thống đa sóng mang, phát sóng mang con bằng FFT, khoảng bảo vệ,… Cuối cùng, chúng tôi trình bày về hiện tượng lệch pha và quan sát ảnh hưởng của nó lên chất lượng hệ thống OFDMQPSK thông qua mô phỏng bằng Matlab.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Minh Thư

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ LỆCH PHA

TRÊN OFDM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành : Điện tử - Viễn Thông

Giáo viên hướng dẫn: GS, TSKH Huỳnh Hữu Tuệ

HÀ NỘI – 2005

Ngoài ra, em cũng xin cảm ơn sự quan tâm của Khoa Điện tử - Viễn thông - Trường đại học Công Nghệ và các thầy cô trong trường

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ cùng em trong thời gian qua

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Trong luận văn với đề tài: “Ảnh hưởng của độ lệch pha trên OFDM”, chúng tôi giới thiệu sơ qua về các khái niệm trong truyền thông di động, trình bày cấu trúc cùng các vấn đề quan trọng trong một hệ thống OFDM và giải quyết vấn đề về độ lệch pha trên hệ thống này Các khái niệm bao gồm những hiện tượng thường xảy ra trên đường truyền như suy giảm, Fading đa đường, Doppler Ở đây, chúng tôi xét hai kênh truyền

di động là kênh Gaussian và kênh Fading Rayleigh Chúng tôi cũng giới thiệu các dạng nhiễu trong thông tin di động như ISI, ICI, CCI Fading là một hiện tượng đôi khi gây ra sự suy giảm nghiêm trọng và một phương pháp hữu hiệu để chống lại nó là sử dụng tính phân tập, chúng tôi trình bày tính phân tập phân chia theo theo thời gian, không gian và tần số Tiếp theo hệ thống OFDM được trình bày cùng các vấn đề tiêu biểu như hệ thống đa sóng mang, phát sóng mang con bằng FFT, khoảng bảo vệ,… Cuối cùng, chúng tôi trình bày về hiện tượng lệch pha và quan sát ảnh hưởng của nó lên chất lượng hệ thống OFDM/QPSK thông qua mô phỏng bằng Matlab

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 7

1.1 C ÁC HIệN TƯợNG THƯờNG XảY RA TRÊN ĐƯờNG TRUYềN 7

1.1.1 Hiện tượng suy giảm 7

1.1.2 Hiện tượng đa đường 8

1.1.3 Hiện tượng dịch tần Doppler 10

1.2 C ÁC DạNG KÊNH TRUYềN DI ĐộNG 11

1.2.1 Kênh di động Gaussian 12

1.2.2 Kênh Rayleigh Fading 13

1.3 C ÁC LOạI NHIễU 16

1.3.1 Nhiễu xuyên kí tự ISI 16

1.3.2 Nhiễu kênh chung CCI 19

1.3.3 Nhiễu xuyên kênh ICI 21

1.4 T ÍNH PHÂN TậP 21

1.4.1 Tính phân tập về thời gian 22

1.4.2 Tính phân tập về tần số 22

1.4.3 Tính phân tập về không gian 22

CHƯƠNG 2 OFDM 23

2.1 L ịCH Sử OFDM 23

2.2 H ệ THốNG OFDM 26

2.2.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM 27

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang và đơn sóng mang 29

2.2.3 Phát sóng mang con bằng phương pháp sử dụng IFFT 30

2.2.4 Khoảng thời gian bảo vệ và sự chèn vòng 33

2.2.5 Tạo dạng xung 35

CHƯƠNG 3 ĐỘ LỆCH PHA TRÊN OFDM/QPSK 38

3.1 H ệ THốNG OFDM 38

3.2 P HƯƠNG PHÁP ĐIềU CHế TÍN HIệU QPSK: 39

3.3 Đ ộ LệCH PHA TRONG Hệ THốNG OFDM/QPSK 42

3.3.1 Các nguyên nhân gây lệch pha 42

3.3.2 Ảnh hưởng của độ lệch pha 44

3.4 M Ô PHỏNG 46

3.5 K ếT QUả THU ĐƯợC 53

TÀI LIệU THAM KHảO 57

PHụ LụC: CÁC CHƯƠNG TRÌNH ĐÃ Sử DụNG 58

Bảng chú giải một số cụm từ viết tắt

AGC Automatic gain control Bộ điều khiển hệ số khuếch đại tự

động

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch chuyển pha cơ số 2

CCI Co - Channel Interference Nhiễu cùng kênh

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

ICI Interchannel Interference Nhiễu xuyên kênh

ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên kí tự

OFDM Orthorgonal Frequency

Division Multiplexing Phân chia theo tần số trực giao

QAM Quadrature

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadratude Phase Shift Keying Khoá dịch chuyển pha cầu phương SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín trên nhiễu

MỞ ĐẦU

Hệ thống OFDM hiện đang được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ứng dụng như đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL; 1.6Mbps), thuê bao số tốc độ rất cao (VDSL; lên đến 100Mbps), thuê bao số bất đối xứng (ADSL; 6Mbps), phát quảng bá

số truyền thanh (DAB) và quảng bá số truyền hình với độ phân giải cao (HDTV)

Tuy nhiên, với sự bùng nổ của truyền thông số trong thời gian gần đây, các hệ thống viễn thông hiện tại và tương lai đòi hỏi truyền dữ liệu ở tốc độ cao hàng Mbs để phục vụ cho những dịch vụ mới là hình ảnh, âm thanh chất lượng cao, mạng di động

số đa dịch vụ tích hợp,… Để có thể truyền dữ liệu ở tốc độ cao như vậy, các tham số của hệ thống đòi hỏi phải được lựa chọn kĩ càng và các vấn đề còn có thể chấp nhận ở các hệ thống cũ phải được giải quyết Đối với hệ thống OFDM, đó là các vấn đề về độ dịch tần, nhiễu pha, giảm tỉ số công suất đỉnh trên trung bình,…

Trong luận văn, chúng tôi muốn đánh giá và đưa ra phương án giải quyết cho vấn

đề về độ lệch pha trên hệ thống Cách tốt nhất để thực hiện là nghiên cứu trên một hệ thống OFDM đang vận hành thực sự Tuy nhiên, điều đó là rất khó khăn và tốn kém, chính vì thế, chúng tôi chọn Matlab là một công cụ mô phỏng hữu hiệu để xây dựng hệ thống OFDM và tiến hành khảo sát trên đó

Chương 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

So với với truyền thông truyền thống (truyền thông bằng dây), truyền thông vô tuyến cho khả năng di động và cho phép người dùng giao tiếp một cách thuận tiện trên toàn thế giới Tuy nhiên, truyền thông bằng sóng vô tuyến có những hiện tượng xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên và không thể dự đoán trước, và không dễ dàng để phân tích được Tín hiệu khi gặp các vật cản trên đường truyền có thể bị phản xạ, nhiễu xạ,… Thêm vào đó, chất lượng của tín hiệu tại đầu máy thu thậm chí còn thiếu chân thực do

sự di chuyển của thuê bao Như vậy, về mặt ổn định của phương tiện truyền thông, truyền thông di động rõ ràng là không thể tốt bằng truyền thông truyền thống Do đó, trong thiết kế hệ thống vô tuyến di động, điều quyết định là phải mô hình hoá được kênh truyền vô tuyến Mặt khác, do giải thông hạn chế và các đặc tính của kênh truyền, rất nhiều nhiễu có ảnh hưởng lên chất lượng của tín hiệu nên cần có các phương pháp để giảm những ảnh hưởng này như sử dụng tính phân tập để tăng hiệu suất của hệ thống trong các mối liên hệ với các môi trường di động đối nghịch xung quanh Đó là những đặc tính sẽ được thảo luận trong chương này

1.1 Các hiện tượng thường xảy ra trên đường truyền

Với một kênh truyền lí tưởng, tín hiệu thu chỉ gồm những tín hiệu được phát từ trạm BS và truyền thẳng đến máy thu, do đó có thể tái tạo tín hiệu đã phát một cách chính xác Tuy nhiên, trong thực tế, tín hiệu đã bị thay đổi trong quá trình truyền dẫn Các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và dao động xảy ra từ nhiều vật thể khác nhau Các hiện tượng này gây nên Fading đa đường mà trong đó, hai hay nhiều hơn phiên bản của tín hiệu được truyền đến máy thu tại những thời gian khác nhau với độ suy giảm khác nhau Điều này gây nên nhiều loại nhiễu khác nhau đối với tín hiệu thu tuỳ thuộc vào tốc độ truyền và độ rộng của kênh truyền Thêm vào đó, do sự dịch chuyển Doppler khác nhau trên các tín hiệu đa đường khác nhau, dẫn đến sự trải rộng về phổ tấn số hay sự biến đổi ngẫu nhiên trong tần số

Những đặc tính kênh truyền này có ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất của hệ thống vô tuyến Ở đây, chúng ta xem xét 3 hiện tượng phổ biến thường xảy ra là hiện tượng suy giảm, Fading đa đường và trải phổ Doppler

1.1.1 Hiện tượng suy giảm

Suy giảm là hiện tượng tín hiệu bị mất năng lượng trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Nó xảy ra do ảnh hưởng của 3 yếu tố: độ dài đường truyền, các vật cản trên đường truyền, và hiện tượng đa đường Hình 1.1 miêu tả những nhân tố này Hiện tượng tín hiệu bị chắn xảy ra khi trên đường truyền giữa máy phát và máy thu có các vật thể như các toà nhà, hay những ngọn núi Những nhân tố này là các tác nhân gây suy giảm quan trọng nhất trong số những nhân tố do môi trường gây nên và đặc biệt nghiêm trọng trong những khu vực trung tâm với mật độ các toà nhà lớn cao Tuy nhiên, nhờ có hiện tượng nhiễu xạ, một phần tín hiệu vẫn đi qua được các vật cản này, và do đó, tránh được sự suy giảm toàn bộ tín hiệu ở những vùng phía sau Độ lớn

của tín hiệu nhiễu xạ phụ thuộc vào tần số sóng tới, sóng có tần số thấp nhiễu xạ mạnh hơn sóng có tần số cao Bởi vậy, các tín hiệu UHF hay tín hiệu vi-ba đòi hỏi công suất tín hiệu đủ lớn tương ứng

Để giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng này, các trạm phát thường được đặt ở vị trí cao nhất có thể để tối thiểu số lượng vật chắn trên đường truyền

Hình 1.1 Các nhân tố gây suy giảm trên đường truyền

Vùng bị chắn có thể là rất lớn, gây nên suy giảm công suất của tín hiệu Do đó,

nó được gọi là Fading chậm – slow Fading hay log – normal shadowing

1.1.2 Hiện tượng đa đường

a) Rayleigh Fading

Trên đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF (radio frequency) có thể bị phản xạ do những vật thể có mặt trên đó như các toà nhà, cây cối, đồi núi hay các phương tiện giao thông, …tạo nên những tín hiệu khác tín hiệu ban đầu và được truyền đến MS Tín hiệu phản xạ có pha ngược với pha của tín hiệu ban đầu, và những tín hiệu khúc xạ hay nhiễu pha cũng có pha thay đổi Mối liên hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ này với tín hiệu ban đầu làm cho tín hiệu tổng hợp tại máy thu có một độ sai pha nào đó so với tín hiệu tryền trực tiếp Bên cạnh đó, điều này còn có thể gây nên nhiễu tích cực hay tiêu cực cho tín hiệu tại máy thu Nếu như ảnh hưởng đó xảy ra trong một thời gian ngắn (thông thường là khoảng 1/2 bước sóng) thì nó được gọi là Fading nhanh Sự biến đổi này thường có giá trị trong khoảng 10-30 dB Hình

vẽ 1.2 miêu tả sự biến đổi năng lượng tín hiệu khi xảy ra hiện tượng Fading với MS di động, tần số sóng mang của tín hiệu là 900(MHz) [3]:

Hình 1.2 Sự biến đổi tín hiệu khi có Fading nhanh với MS di động, tần số sóng

mang của tín hiệu là 900(MHz)

b) Fading lựa tần

Trong bất cứ một quá trình truyền sóng vô tuyến nào, đáp ứng phổ của kênh truyền đều không bằng phẳng Tuỳ theo mức độ phản xạ, đáp ứng phổ này gây mất đi một số tần số nhất định tại máy thu Phản xạ tại những vật thể như toà nhà, cây cối, mặt đất có thể tạo nên một số tín hiệu đa đường có công suất tương đương với tín hiệu truyền trực tiếp làm cho công suất tín hiệu bị suy giảm nặng đến mất hoàn toàn Trong truyền băng hẹp, nếu hiện tượng đáp ứng tần suy giảm đến 0 xảy ra có thể dẫn đến mất toàn bộ tín hiệu Ta có thể khắc phục hiện tượng này theo hai cách sau:

Bằng cách truyền tín hiệu băng rộng hoặc trải phổ như của CDMA, bất cứ sự suy giảm nào tại miền phổ tần số đều chỉ làm mất ít công suất tín hiệu

Cách khác là chia dòng tín hiệu thành các dòng sóng mang con như trong OFDM/COFDM Tín hiệu ban đầu được trải phổ thành các băng rộng, do đó, suy giảm không thể xảy ra trên toàn bộ tất cả sóng mang Lượng thông tin bị mất đi có thể phục hồi bằng các mã sửa lỗi đã được gửi đi

c) Hiện tượng mở rộng thời gian trễ

trầm trọng khi tốc độ truyền tín hiệu càng tăng ISI sẽ rất nghiêm trọng khi độ mở rộng thời gian trễ kéo dài quá 50% chu kì tín hiệu

Hình 1.3 Hiện tượng mở rộng thời gian trễ do đa đường

Bảng sau đây chỉ ra một số độ mở rộng thời gian trễ tại các môi trường khác nhau Độ mở rộng thời gian trễ lớn nhất đối với môi trường ngoài (outdoor environment) là 20 µs, do đó với tốc độ bit cao hơn 25KHz sẽ xảy ra ISI nghiêm trọng

Môi trường Độ mở rộng thời

gian trễ Sự khác nhau về chiều dài đường truyền

Bảng 1.1: Độ mở rộng thời gian trễ trong những môi trường tiêu biểu

Có thể hạn chế ISI bằng nhiều cách Có một cách là giảm tốc độ tín hiệu bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh truyền (chẳng hạn như chia dải thông thành nhiều kênh con trong OFDM)

1.1.3 Hiện tượng dịch tần Doppler

Khi sóng mang dữ liệu và máy thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số tín hiệu tại đầu máy thu có thể thay đổi so với tần số được phát đi ban đầu Khi chúng chuyển động lại gần nhau, tần số sẽ tăng lên; còn khi chúng chuyển động xa nhau ra, tần số sẽ giảm đi Hiện tượng như trên được gọi là hiện tượng Doppler Điều này có thể ví dụ như sự thay đổi cường độ của còi xe ôtô khi nó tiến lại gần hay di chuyển ra

xa Ảnh hưởng này rất quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống vô tuyến di động

Độ thay đổi tần số trong tín hiệu Doppler phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tương đối giữa sóng mang dữ liệu và máy thu Độ dịch chuyển tần số Doppler được tính:

( )Hz

v c

v f

π

v

f f v

Po Gr f

s

o

Ví dụ như, với sóng mang dữ liệu có tần số fo = 850 HHz, vận tốc tương đối giữa sóng mang dữ liệu và máy thu là v = 100km/h, thì độ dịch chuyển tần số Doppler là: ∆f = ±79 (Hz) thì mật độ phổ công suất được thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4 Mật độ phổ công suất Doppler với sóng mang 850MHz trong kênh Rayleigh tại tốc

độ 100 km/h

1.2 Các dạng kênh truyền di động

Trong luận văn này, chúng ta xem xét những những kênh truyền tồn tại giữa máy phát và máy thu Mô tả chính xác các đặc tính của kênh truyền này là hoàn toàn có thể nếu chúng ta loại đi những ảnh hưởng suy giảm của kênh truyền bằng cách sử dụng các phương pháp xử lí tín hiệu tại máy thu Các kết nối trong vô tuyến di động được hình thành giữa một trạm cơ sở cố định (BS) và một lượng các trạm di động (MS) Để

có thể phủ được một diện rộng, cần phải có một số lượng lớn các trạm phát Vùng phủ của một máy phát được định nghĩa là vùng mà trong đó máy phát và máy thu có thể thực hiện được các cuộc gọi đạt chất lượng yêu cầu và vùng này được coi như là một

tế bào Các tế bào gần nhau được sử dụng các tần số khác nhau, nhưng do khi khoảng cách giữa các tế bào tăng lên, nhiễu giữa chúng giảm đi, nên chúng ta hoàn toàn có thể

sử dụng lại tần số, và do đó tăng được dung lượng của hệ thống Nhìn chung, các kênh truyền được xếp thành ba dạng: kênh Fading, kênh chịu ảnh hưởng từ những người dùng khác, và kênh AWGN Ở đây, chúng ta nghiên cứu hai kênh là kênh Gaussian và kênh Fading Rayleigh

1.2.1 Kênh di động Gaussian

Dạng đơn giản nhất trong các dạng kênh truyền là Kênh Gaussian, đó là một hệ thống truyền tuyến tính theo thời gian, và bị suy giảm do nhiễu phát ra từ chính máy thu, đặc biệt là nhiễu nhiệt trong bước khuếch đại đầu tiên Mức độ nhiễu nhiệt này là hoàn toàn biết trước, có hàm mật độ phổ công suất PSD không thay đổi theo mọi tần

số (tính chất trắng) và có hàm mật độ xác suất Gaussian PDF Do đó, kênh truyền này được gọi là AWGN Tuy nhiên, mặc dù AWGN luôn có mặt ở khắp mọi nơi, nó vẫn là một thành phần mang tính chất trừu tượng và dùng nó để phân tích tín hiệu đôi khi mang lại những kết luận không có ý nghĩa gì Do tính chất trắng, nếu quan sát nó trong giải thông vô hạn sẽ cho ta công suất vô hạn Vậy thì, liệu máy thu có an toàn không khi với AWGN có công suất vô hạn, nó cũng phải phát ra công suất vô hạn để có thể thu nhận tín hiệu? Rất may mắn là, trong thực tế, AWGN không bao giờ có giải thông

vô hạn Nhiễu nhiệt là hoàn toàn trắng với phổ sóng vô tuyến không vượt qua 10GHz

Dạng kênh truyền này đôi khi được thực thi trong truyền thông vô tuyến di động số mà chủ yếu là trong các vi tế bào nơi có thể có đường truyền trực tiếp từ trạm gốc đến thuê bao mà không có hiện tượng đa đường Thậm chí ngay cả khi có hiện tượng đa đường, nhưng nếu thuê bao ở trạng thái cố định và không có các vật thể chuyển động trong các vùng lân cận, như các phương tiện giao thông, kênh di động đó cũng có thể coi như là một kênh Gaussian Điều này là do, khi không có sự di chuyển, hiện tượng Fading được biểu diễn bằng suy giảm đường truyền cục bộ Kênh Gaussian cũng rất quan trọng trong việc tạo ra một giới hạn trên trong hiệu suất của hệ thống (chẳng hạn như tỉ lệ bit lỗi BER)

Giả sử tín hiệu truyền, nhiễu Gaussian trắng, và tín hiệu thu được biểu diễn lần lượt là s(t), n(t), r(t) thì:

r(t) = s(t) + n(t)

Với n(t) là hàm đặc trưng cho AWGN - hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm mật

độ phổ công suất (PSD):

No là hằng số và thường được gọi là mật độ công suất nhiễu

Nhiễu này gây ảnh hưởng suy giảm công suất của tín hiệu, nên có thể khắc phục bằng cách tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)

1.2.2 Kênh Rayleigh Fading

Đường truyền giữa trạm cơ sở BS và các thuê bao di động ở truyền thông mặt đất đặc trưng bởi các chướng ngại vật và sự phản xạ Chẳng hạn, môi trường trong nhà là máy móc và trang thiết bị đồ đạc, và môi trường bên ngoài là các toà nhà và cây cối Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến tín hiệu, khi mà tín hiệu được truyền đi từ trạm cơ sở BS đến trạm di động MS (hình 1.1) Sóng vô tuyến được truyền từ BS theo mọi hướng, đến MS, ngoài sóng được truyền trực tiếp, còn bao gồm cả các sóng phản

xạ, khúc xạ, nhiễu xạ Trong trường hợp này, do độ dài đường đi của các loại sóng trên

là khác nhau, thời gian đến MS cũng khác nhau Bên cạnh đó, còn có cả sự đổi pha của sóng phản xạ so với sóng truyền trực tiếp Như vậy, ở MS, các sóng nhận được khác nhau cả về pha và thời gian tới Các sóng đến MS chậm hơn sóng trực tiếp được gọi là sóng trễ (delay wave) Môi trường nhận gồm nhiều sóng trễ đến theo các hướng khác nhau được gọi là môi trường truyền đa đường Trong môi trường này, tín hiệu thu đôi khi được tăng cường hay làm yếu đi Hiện tượng này được gọi là Fading đa đường Fading đa đường làm tăng tốc độ lỗi của dữ liệu nhận được nên phải có phương pháp sửa chữa để đảm bảo hiệu suất truyền ở tốc độ cao Hình 1.5 mô tả một môi trường Fading đa đường và hình 1.6 là mô hình hoá môi trường này với tổng hợp các tín hiệu

đa đường được biểu diễn thành một vector có góc lệch là θn

Hình 1.5 Môi trường Fading đa đường

Hình 1.6 Mô hình hoá Fading đa đường

Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét cụ thể tín hiệu MS thu được tại môi trường Fading

đa đường Giả sử, sóng trễ của một sóng tần số (Hz) được biểu diễn với góc lệch f c θ nnhư hình 1.6 và có dạng sau:

vt l j

t R

t

e

n n

n n

n n

từ BS, cos(

d f n

θ ) = 1 Sóng tới MS có tần số bé nhất khi có độ dịch tần là -fd Sóng tới

t f t

y t x

t f j t

e

t r t

r

c c

c c

c N

n n

N

n n

ππ

ππ

π

2 sin 2

cos

2 sin 2

cos Re

2 exp Re

1 1

−

=

+ +

N

n n

t y t

y

t x t

x

1 1

x(t) và y(t) là các quá trình ngẫu nhiên thường có trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng δ, khi N đủ lớn Ta có mật độ xác suất chung ρ(x,y), với x=x(t), y=y(t):

1 ,

δπδ

y x R t R

1

2 / 1 2 2

tan

θθĐổi các biến số, ta chuyển ρ(x,y) thành ρ(R,θ):

,

δπδ

2

1

=

Từ những phương trình trên, ta có dao động hình bao của tín hiệu có phân bố Rayleigh và dao động pha là hàm phân bố đều trong môi trường Fading trên đường truyền

Khi biểu diễn kênh Fading Rayleigh bằng phương pháp mô phỏng trên Matlab,

ta giả thiết biến số góc lệch của các tín hiệu đến MS có phân bố đều, số sóng đến là N, khi đó với N/2 là số lẻ và ⎟

11

N

r(t) = x(t) + j y(t)

1 1

1

1 1

1

2cos2cossin

2

2cos1

12

cos2sin

12

N

n

d

d d

N

n

t N

n f

N

n N

j

f N

t N

n f

os c N

n N

ππ

π

π

ππ

ta tập trung đề cập về vấn đề nhiễu xuyên kí tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI), và nhiễu cùng kênh (CCI) là những loại nhiễu có ảnh hưởng lớn nhất đối với truyền dẫn tốc độ cao

1.3.1 Nhiễu xuyên kí tự ISI

Giải thông của kênh truyền thông thường là có giới hạn và khi một xung với giải thông không giới hạn (chẳng hạn xung chữ nhật) được truyền qua kênh này, sẽ gây nên

sự cắt giải thông hay sự méo của tín hiệu đó trong miền tần số Điều này tương đương với sự kéo dài về miền thời gian (bởi vì khi chúng ta gây suy giảm xung trong miền tần số, trong miền thời gian tín hiệu có xu hướng tăng lên) của xung và chiều dài mỗi tín hiệu sẽ trải rộng ra vào chiều dài tín hiệu kế tiếp Dạng nhiễu này được gọi là nhiễu xuyên kí tự và điều đó dẫn đến tăng xác xuất lỗi tại đầu thu

Rõ ràng là, chọn một xung có giải thông giới hạn để truyền đi trong kênh có giải thông giới hạn có thể tránh sự méo trong miền tần số Tuy nhiên, cắt bớt giải thông của xung truyền sẽ gây nên sự mở rộng hay kéo dài xung trong miền thời gian Hiện tượng này trực tiếp gây nên sự chồng chập các tín hiệu với nhau Mối liên hệ giữa giải thông của kênh truyền, giải thông của xung truyền và ISI được trình bày trong hình vẽ sau:

r(t) H(t)

s(t)

Kênh truyền

Hình 1.7 Mối liên hệ giữa giải thông của kênh truyền, của tín hiệu truyền và ISI

(a) Giải thông của kênh truyền lớn hơn giải thông của tín hiệu nên tín hiệu thu được không bị chồng chập, thu được đúng tín hiệu ban đầu

(b) Giải thông của kênh truyền bé hơn giải thông của tín hiệu nên tín hiệu thu bị chồng chập (tức là có hiện tượng ISI) nên tín hiệu thu bị sai so với tín hiệu ban đầu Ghi nhớ rằng h(t)= g(t)⊗c(t)

h(t): đáp ứng xung hỗn hợp

g(t): hàm tạo dạng xung của mạch lọc

c(t): đáp ứng xung của kênh truyền

T

f T T

f T T

T f

T f

G

2

1 0

2

1 2

1 2

1 sin

1 2

2

1 0

π

α

và đáp ứng xung tương ứng là:

2 1

sin cos

) (

t c T

t t

g

α

παπ

Với α là hệ số rolloff của hàm cosin tăng biến thiên từ 0 đến 1

Hàm đáp ứng xung và hàm truyền của mạch lọc cosin tăng vẽ trong hình 1.8 và 1.9 với các giá trị biến thiên của α Có thể thấy rằng với α càng lớn đáp ứng xung của mạch lọc giảm càng nhanh, nhưng giải thông tín hiệu lại bé và ngược lại Hệ số rolloff

α trong thực tế là một thông số cho các kỹ sư thiết kế và là thông số để lựa chọn được quá trình truyền hiệu quả cao ít có ISI

Hình 1.8 Dạng xung khi có mạch lọc cosin tăng

Hình 1.9 Hàm truyền về độ lớn của bộ lọc cosin tăng

Nhớ rằng, ở hình 1.8, theo lí thuyết thì thời gian trong hàm cosin tăng là không giới hạn Thông thường, mạch lọc chỉ phát trong khoảng thời gian từ -6T đến 6T Tuy nhiên, việc này chỉ gây ra ít sai số bởi sự suy giảm nhanh của hàm đáp ứng xung tại các thời điểm đi qua điểm 0 (xấp xỉ 1/t3 với t >> T)

Trong thực tế, công nghệ tạo dạng xung chỉ có thể tránh ISI khi quá trình truyền với giải thông giới hạn được xét trong kênh AWGN Song, như đã đề cập trước đây, kênh vô tuyến luôn tồn tại Fading đa đường Kết quả là, ngay cả khi áp dụng phương pháp tạo dạng xung, hiện tượng đa đường với độ trễ lớn hơn thời gian tồn tại của một

kí hiệu vẫn gây nên ISI

1.3.2 Nhiễu kênh chung CCI

Bên cạnh nhiễu gây ra do kênh truyền, một loại nhiễu khác cũng gây ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và dung lượng của hệ thống là nhiễu xuyên kênh –Co-channel interference (CCI) tức là nhiễu do các kênh truyền dùng chung một dải tần gây ra cho nhau CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đa truy cập không dây nào Trong đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA hay theo tần số FDMA hay theo không gian SDMA, việc sử dụng lại tần số được sử dụng để tạo ra một vùng cung cấp dịch vụ rộng lớn cho hệ thống không dây, do đó nhiều người dùng có thể cùng dùng chung một dải tần tại cùng một thời điểm, và tất nhiên điều này sẽ tạo ra nhiễu xuyên kênh giữa người dùng này với người dùng kia Bởi vậy, luôn có sự đấu tranh để cân bằng giữa hiệu suất sử dụng dải thông và hiệu suất sử dụng hệ thống

Khác với nhiễu nhiệt có thể hạn chế bằng việc tăng tỉ số SNR, CCI không thể

giải quyết đơn giản bằng cách tăng công suất truyền của sóng mang tín hiệu, bởi vì

tăng công suất truyền sóng mang cũng đồng thời tăng nhiễu ảnh hưởng lên những hệ

thống bên cạnh Để giảm CCI, các tế bào sử dụng chung dải tần được phân cách nhau

một khoảng cách đủ lớn

Hình 1.10 Mô hình phân chia tần số cho các tế bào trong một cluster với kích

cỡ của một cluster là N=7

Những tế bào được kí hiệu bằng chữ cái giống nhau là những tế bào dùng dải

tần số giống nhau, còn những tế bào được kí hiệu bằng những chữ cái khác nhau dùng

dải tần số khác nhau Khi khoảng cách giữa các tế bào là đủ lớn, ta hoàn toàn có thể sử

dụng lại dải tần số đó

Hình 1.11 Mô hình định vị các tế bào dùng chung tần số

Theo tính toán và thử nghiệm, nếu các tế bào với khoảng cách như trên hình 1.11

mô tả thì nhiễu CCI giữa những dải tần số là có thể chấp nhận được Đây cũng chính là

mô hình hiện nay các hệ thống phân chia theo dạng tế bào sử dụng để định vị các tế

bào có dùng chung một dải tần số

So với TDMA và FDMA, SDMA sử dụng lại toàn bộ giải thông một cách hiệu quả hơn để tăng hiệu suất sử dụng phổ và hỗ trợ được nhiều nhiều người dùng hơn nhờ

sử dụng thông tin mang đặc tính không gian của những người dùng chung kênh truyền Thêm vào đó, một hệ thống đa truy cập không dây nổi tiếng khác cũng đầy tiềm năng,

hệ thống đa truy cập trải phổ (spread spectrum multiple access - SSMA) cũng có những vấn đề về CCI Mặc dù vậy, về lí thuyết, những người dùng vẫn có thể dùng chung tần số và được phân chia tách biệt nhau nhờ sử dụng tính trực giao chẳng hạn như dãy sóng mang trực giao - direct sequence DS

1.3.3 Nhiễu xuyên kênh ICI

Nhiễu gây ra do tín hiệu ở sóng mang của dải tần số kế tiếp ảnh hưởng lên tín hiệu mong muốn gọi là nhiễu xuyên kênh – ICI ICI là kết quả do các bộ lọc tại máy thu không hoàn hảo, sự không hoàn hảo này làm cho một số tần số gần với tần số của tín hiệu mong muốn đi vào giải tần đang xét Ảnh hưởng trở nên nghiêm trọng trong trường hợp người dùng dải tần kế bên được truyền rất gần với máy thu trong lúc bộ nhận của máy thu đang cố gắng nhận tín hiệu mong muốn từ trạm cơ sở Điều này được nói đến như là hiệu ứng gần-xa (near-far effect), khi một máy phát dùng giải tần

số kế bên (có thể cùng hay không cùng dạng với máy phát đang xét) lại dành được đường truyền tín hiệu đến máy thu đang xét Hiệu ứng gần-xa xảy ra khi một máy thu gần trạm cơ sở truyền trên kênh truyền gần với kênh truyền đang được một máy thu với công suất yếu Trạm cơ sở sẽ rất khó khăn trong việc phân biệt chính xác người dùng của mình do kênh truyền đã bị người dùng kênh truyền kế bên chiếm mất

ICI có thể được hạn chế bằng cách sử dụng những bộ lọc tốt hoặc phân chia kênh truyền hợp lí Mỗi tế bào sẽ được phân cho những kênh truyền phù hợp, tức là không có những kênh truyền kề nhau dùng những dải tần số kề nhau Bằng việc phân chia cho các kênh truyền trong một tế bào những dải tần cách xa nhau lớn nhất có thể, ICI được hạn chế đáng kể

1.4 Tính phân tập

Như chúng ta đã thảo luận, kênh truyền đặc biệt là kênh Fading gây ra rất nhiều ảnh hưởng xấu Nhiều biện pháp được đưa ra để hạn chế hay triệt tiêu những ảnh hưởng này và trong đó, có một cách hiệu quả là dùng tính phân tập – diversity Tính phân tập cho phép sử dụng nhiều kênh độc lập để phát hiện ra tín hiệu nhận Trong mỗi kênh độc lập này là các tín hiệu có cùng nội dung được phát đi nhiều lần Tại máy thu, máy thu sẽ thu được các tín hiệu này và lựa chọn tín hiệu nào tốt nhất hoặc kết hợp tất cả để giải điều chế ra tín hiệu đã phát đi Các kênh độc lập này thường được gọi là các kênh mang tính phân tập Tính phân tập thường được xếp vào 3 dạng chính:

• Tính phân tập về thời gian

• Tính phân tập về không gian

• Tính phân tập về tần số

1.4.1 Tính phân tập về thời gian

Tính phân tập về thời gian thường được sử dụng nhờ mã hoá kênh kết hợp với xen kẽ có giới hạn Kỹ thuật mã kênh là kỹ thuật mà sau khi truyền đi một vài cấu trúc đặc biệt của tín hiệu số cần truyền tại những thời điểm khác nhau, máy thu có thể phát hiện và sửa một số lỗi gây bởi kênh truyền Để có kết luận này, giả thiết rằng tín hiệu

số truyền tại những thời gian khác nhau có độ suy giảm khác nhau và việc những tín hiệu như nhau truyền đi tại những thời gian khác nhau cùng bị suy giảm mạnh là ít xảy

ra Tuy nhiên, thực tế, trật tự xen kẽ của tín hiệu truyền được thực hiện để ngẫu nhiên hoá lỗi Tính phân tập về thời gian trở nên hiệu quả nhất khi thời gian trễ giữa hai lần phát nên lớn hơn coherence time - thời gian chu kỳ của kênh truyền Tc

Thực tế, sử dụng tính phân tập theo thời gian rất hữu dụng trong những kênh có Fading nhanh hay môi trường có tính di động cao, nhưng nó lại có rất ít khả năng bảo

vệ khỏi môi trường có Fading chậm trừ khi có những biện pháp xen kẽ đặc biệt với khả năng chống chịu tốt

1.4.2 Tính phân tập về tần số

Tính phân tập về tần số có thể được khai thác đơn giản bằng cách truyền cùng một thông tin qua các kênh truyền có dải tần khác nhau với độ phân cách giữa các giải tần lớn hơn coherence bandwidth, Bc - độ rộng giải thông của kênh truyền Các tín hiệu ở những tần số khác nhau bị ảnh hưởng khác nhau sau khi được truyền qua kênh truyền, và do đó sẽ bị suy giảm độc lập với nhau Chính điều này tạo nên tính phân tập

và tần số, phân tập theo không gian rất hiệu quả trong bất cứ môi trường Fading nào,

và hiệu suất không bị giới hạn bởi lượng tần số đã sử dụng trong tín hiệu truyền Tuy nhiên, sử dụng tính phân tập theo không gian đòi hỏi sự phức tạp trong việc xử lí tín hiệu tại máy thu và ngay cả trong cấu hình của máy thu

hư hỏng nhẹ Sau đó, mã sửa sai có thể khôi phục lại một số lỗi của sóng mang con Khái niệm về truyền dữ liệu song song bằng những sóng mang phân chia theo tần số được ra đời vào giữa những năm 60s bởi Chang [1, 2] Người ta còn tìm thấy sự hình thành sớm hơn vào những năm 50s [3], và một bằng sáng chế Mỹ về OFDM đã được đưa ra vào Tháng1/ 1970 [4]

Trong một hệ thống truyền dữ liệu song song thông thường, toàn bộ giải tần được chia thành N dải tần con không hề chồng phủ lên nhau Mỗi tín hiệu được điều chế trên một dải tần con và hệ thống N kênh con được gọi là đa thành phần tần số Phương pháp này rất tốt trong việc tránh chồng phổ của các kênh truyền để hạn chế nhiễu xuyên kênh ICI Tuy nhiên lại dẫn đến việc sử dụng phổ kém hiệu quả Và do đó, kỹ thuật đa thành phần phần phân chia theo tần số FDM với các kênh con có tần số chồng phủ lên nhau ra đời (vào giữa những năm 60s) Với N kênh con, phương pháp này cho phép giảm tốc độ truyền dữ liệu xuống N lần, sử dụng dải thông một cách hiệu quả

Hình 2.1 (a) kỹ thuật đa sóng mang thông thường

(b) kỹ thuật đa sóng mang trực giao

ki,i: kênh thứ i trong OFDM

Hình 2.1 miêu tả sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang thông thường (các sóng mang con không chồng phủ tần số nhau) và kỹ thuật đa sóng mang trực giao (các sóng mang con có tần số chồng phủ lên nhau) Kỹ thuật mới này cho phép tiết kiệm được 50% giải thông Song lại đòi hỏi phải giải quyết vấn đề về nhiễu xuyên kênh giữa các sóng mang con này

Điều này được giải quyết như sau: tại máy thu, các bộ giải điều chế chuyển mỗi sóng mang thành tín hiệu một chiều bằng cách lấy tích phân trong một chu kì, rồi từ đó phục hồi tín hiệu ban đầu Nếu tất cả mọi sóng mang khác đều triệt tiêu khi lấy tích phân trong chu kì đó, ta sẽ thu được tín hiệu OFDM chính xác Do đó, các sóng mang

là độc lập tuyến tính, hay có nghĩa chúng có tần số là bội số nhân của 1/T với T là chu

kì của tín hiệu

Năm 1971, Weinstein và Ebert áp dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) để song song hoá dữ liệu truyền qua hệ thống, song chỉ đến khi áp dụng FFT (biển đổi Fourier nhanh), OFDM mới thực sự được sử dụng rộng rãi Với FFT, chúng ta chỉ cần sử dụng một dải tần giới hạn, là những bội số nhân của 1/T, với T là khoảng thời gian kéo dài tín hiệu OFDM

Trong những năm 80s, OFDM được nghiên cứu cho modem tốc độ cao, truyền thông di động số, và ghi âm mật độ lớn Một trong những hệ thống sử dụng OFDM là điều chế QAM, dùng DFT, sử dụng tín hiệu hoa tiêu, cân bằng tần số, điểu khiển tần

số đồng hồ và mã hoá bằng sơ đồ mắt cáo [5]

Đến những năm 90s, OFDM đã được khai thác để truyền thông dữ liệu băng rộng bằng kênh vô tuyến FM, đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL; 1.6 Mbs), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL; up to 6Mbs), đường dây thuê bao số tốc độ rất cao (VDSL; 100Mbs), quảng bá truyền thanh số (DAB), và truyền hình quảng bá mặt đất độ phân giải cao (HDTV)

Hệ thống OFDM có những ưu thế sau đây:

• OFDM là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề đa đường, với một

độ mở rộng thời gian trễ cho trước, hệ thống OFDM hoạt động thực sự hiệu quả hơn với bộ cân bằng

• Đối với kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian, có thể tăng dung lượng đáng kể bằng cách làm tương thích tốc độ bit trên mỗi sóng mang con dựa vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu của riêng sóng mang con đó

• OFDM có khả năng chống nhiễu băng hẹp cao, bởi vì nhiễu chỉ có thể ảnh hưởng đến một lượng nhỏ các kênh con

• OFDM tạo điều kiện cho mạng đơn tần hoạt động, một mạng rất phù hợp với những ứng dụng trong phát quảng bá

Tuy nhiên, hệ thống OFDM cũng có những hạn chế sau:

• OFDM rất nhạy với thế offset tần số và nhiễu pha

• OFDM liên hệ chặt chẽ với tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng công suất trong khuyếch đại RF

2.2 Hệ thống OFDM

Hình 2.3 là sơ đồ tổng quát của một hệ thống máy thu-phát OFDM Môi trường truyền dẫn hiện xét bao gồm nhiễu AWGN (additive white Gaussian noise) gây suy giảm công suất tín hiệu, và Fading đa đường

Kênh thông tin

REMOV E CYCLIC EXTENSION

SERIAL TO PARALLEL

FFT(RX) ADC

TIMING AND FREQUENCY SYNCHRONIZATION

PARALLEL

TO SERIAL

CHANNEL CORRECTION

RF RX

QAM DEMAPPING

LEAVING DECODING

DEINTER-dữ liệu thu được

PARALLEL TO SERIAL DAC

dữ liệu đầu vào

Thiết bị nhận

Thiết bị thu

Hình 2.3 Mô hình hệ thống OFDM phát - thu

2.2.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM

Hệ thống OFDM ngày nay thường sử dụng các kênh sóng mang trực giao, trong

đó các kênh con là những hệ thống song song Các kênh chồng phủ lênh nhau theo miền tần số, khoảng cách giữa chúng được lựa chọn để mỗi kênh là trực giao với các kênh còn lại Một tín hiệu OFDM được biểu diễn:

Số điểm của DFT bằng với số sóng mang con truyền đi Giải thông của kênh con được cho:

Một mô hình hệ thống không dây thường được sử dụng là tín hiệu truyền đi được nhân chập với đáp ứng xung của kênh truyền Trong máy thu tín hiệu OFDM, ta lại sử dụng phép biến đổi DFT để phát hiện ra tín hiệu dữ liệu trong các kênh con Nếu chúng ta có phép đồng bộ hoàn hảo, một khoảng chèn vòng bé hơn độ trễ lớn nhất (giữa sóng mang đến sớm nhất và muộn nhất), và không có độ lệch tần số thì tín hiệu sau khi DFT là:

Theo mô hình trên, trước tiên các bit đã mã hoá được đưa vào điều chế, mỗi log2M bit sẽ được điều chế tương ứng với 1 trong M tín hiệu, M là số tín hiệu alphabet trong các sóng mang N tín hiệu này được nhóm thành một tín hiệu OFDM Mỗi tín hiệu OFDM được chỉ định gán với một sóng mang con nhất định nhờ IDFT (thông thường bây giờ sử dụng IFFT) Sau đó, ta sẽ chèn vòng vào tín hiệu và cuối cùng là tạo dạng xung trước khi chuyển thành sóng cao tần và truyền qua kênh truyền

Tại máy thu, tín hiệu thu được chuyển lại thành sóng trung tần và lấy mẫu Các mẫu lấy được được chuyển thành song song và đưa vào xấp xỉ kênh, FFT, và bộ điều chỉnh hệ số khuyếch đại tự động (AGC) AGC tuỳ theo công suất của tín hiệu vào để

điều chỉnh các mức độ để tín hiệu phù hợp với dải hoạt động của bộ ADC Chức năng của khối đồng bộ là xác định thời điểm bắt đầu của mỗi gói dữ liệu và độ offset tần số

để có thể bù trừ suy giảm trước khi các mẫu được đưa vào mạch FFT OFDM rất nhạy với độ offset của tần số, và để tránh độ dịch tần này, các phương pháp bù trừ phải được tiến hành trước khi đưa vào mạch DFT

Các thiết bị thực hiện xấp xỉ kênh được dùng để kích hoạt các hệ thống điều chế kết hợp Độ trải rộng thời gian gây dịch pha và suy giảm biên độ đã được tính toán ở chương trước, giá trị các hàm truyền ở mỗi tần số tại các kênh con phải được xấp xỉ để

sử dụng bộ phát hiện chính xác Thêm vào đó, nếu có một độ dịch chuyển thời gian nhỏ, sẽ gây nên sự tăng pha tuyến tính giữa các sóng mang Các bộ xấp xỉ kênh có thể tính toán xấp xỉ và bù trừ độ dịch pha này nên chúng được coi như một phần trong hàm truyền của kênh

Khối FFT tính toán trên các tín hiệu OFDM để thu nhận lại tín hiệu dữ liệu truyền đi ban đầu Những tín hiệu này tiếp theo được đưa qua bộ điều chế để loại bỏ các ảnh hưởng của kênh truyền và tiến hành các phép quyết định cứng và mềm

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang và đơn sóng mang

Sự khác nhau lớn nhất giữa một hệ thống đơn sóng mang và một hệ thống đa sóng mang là phương pháp để giảm ảnh hưởng của kênh truyền Trong một hệ thống OFDM, bộ thu thực hiện FFT để giải điều chế dữ liệu, bộ cân bằng có thể có thể rất đơn giản do độ phân tán thời gian chỉ gây ảnh hưởng lên những hệ thống đa thành phần qua hàm truyền của kênh sau khi thực hiện FFT Trong hệ thống đơn sóng mang, không có khối FFT trong thiết bị nhận, nhưng bộ cân bằng lại phải rất phức tạp để giảm ảnh hưởng của ISI Độ phức tạp của bộ cân bằng có thể sẽ rất cao nếu ISI kéo dài ảnh hưởng qua nhiều tín hiệu, nhưng nếu ISI chỉ kéo dài trong khoảng một vài tín hiệu thì giải pháp lại khá đơn giản Độ phức tạp của bộ cân bằng được tính toán dựa vào độ trễ lớn nhất của kênh truyền so với chiều dài của tín hiệu, nếu ISI kéo dài qua nhiều tín hiệu thì hệ thống OFDM được đề nghị nên sử dụng bộ cân bằng phức tạp hơn

Một ưu thế khác của hệ thống điều chế đa sóng mang là nó cho phép sử dụng điều chế thích nghi tại mỗi kênh con Điều này có nghĩa là có thể sử dụng các mức độ điều chế khác nhau tại mỗi kênh con Trong những kênh xấu, khi mà suy giảm đường truyền lớn, ta sử dụng mức độ điều chế thấp (chẳng hạn như BPSK), còn trong kênh tốt, ta có thể sử dụng mức độ điều chế cao hơn (như 16-QAM) Như vậy, các kênh truyền được sử dụng hiệu quả hơn và do đó tỉ lệ bit lỗi giảm xuống đáng kể so với hệ thống chỉ sử dụng một mức độ điều chế Tuy nhiên, ghi nhớ rằng, sơ đồ thích nghi đòi hỏi phần cứng có độ phức tạp cao và có báo hiệu điều khiển

Sử dụng đa sóng mang cho phép tiến hành truyền trong môi trường có ảnh hưởng

đa đường cao Giả sử ta điều chế một sóng mang với tín hiệu số Trong suốt chiều dài của tín hiệu, ta truyền sóng mang với pha và biện độ riêng được chọn trong chòm sao tín hiệu Mỗi tín hiệu là một số bit thông tin, tương ứng với log của số trạng thái khác nhau của chòm sao tín hiệu

Bây giờ, tưởng tượng rằng tín hiệu được nhận qua hai đường, với một độ trễ có mối liên hệ với nhau Giả sử lấy tín hiệu truyền n làm ví dụ, thiết bị thu sẽ cố gắng giải điều chế ra tín hiệu đã được gửi đi bằng cách tính toán tất cả những thông tin liên quan đến tín hiệu n này, cả tín hiệu đi đến trực tiếp thứ nhất và tín hiệu trễ thứ hai Khi tín hiệu trễ lớn hơn một chu kì tín hiệu, tín hiệu nhận được ở đường thứ hai sẽ chỉ như nhiễu do nó chỉ mang thông tin của tín hiệu trước đó Chẳng hạn với nhiễu ISI, chỉ những mức trễ khá nhỏ là còn có thể giải điều chế được Còn khi độ trễ nhỏ hơn một chu kì tín hiệu, chỉ một phần trong tín hiệu nhận được thứ hai có tác động như nhiễu, phần còn lại vẫn có thể chứa thông tin, nói chung khi đó nó có thể tác động tích cực hay tiêu cực lên tín hiệu trên đường truyền chính

Điều này nói lên rằng, nếu chúng ta phải đối mặt với những nhiễu lớn, tốc độ dữ liệu nên giảm đi một cách đáng kể để tổng độ trễ (giữa tín hiệu nhận được đầu tiên và tín hiệu nhận được cuối cùng) chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chiều dài của tín hiệu Thông tin đem theo được của hệ thống đơn sóng mang có thể bị giới hạn khi có mặt của hiện tượng đa đường Nếu một sóng mang không thể đem theo dữ liệu như chúng

ta yêu cầu, ta hoàn toàn có thể nghĩ đến một phương thức chia dòng dữ liệu tốc độ cao này thành những dòng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn, mỗi dòng đem theo những dữ liệu khác nhau, tổng cộng sẽ có thể truyền một lượng thông tin lớn

Ngay cả khi độ trễ do trải phổ bé hơn một chu kì tín hiệu, một ảnh hưởng nào đó của ISI từ dữ liệu trước vẫn có thể còn tồn tại Điều này có thể giải quyết nếu chiều dài của mỗi tín hiệu lớn hơn chiều dài thực hiện FFT của máy thu, thêm một khoảng bảo

vệ là một phương pháp khá tốt

2.2.3 Phát sóng mang con bằng phương pháp sử dụng IFFT

Tín hiệu OFDM ở đây chúng ta xét được điều chế theo QPSK Giả sử tín hiệu QPSK phức được biểu diễn là di, Ns là số sóng mang con, T là chiều dài của tín hiệu, fc

là tần số của tín hiệu, khi một tín hiệu OFDM bắt đầu tại t=ts thì tín hiệu OFDM có thể được viết thành:

T t t t t t T

i f j d

t

N

N j

s c

N i s

1 2

2

2 2 / π

t

N

N i

s N

i s

1 2

Trong cách biểu diễn này, phần thực và phần ảo tương ứng với các thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM (Ich và Qch), các thành phần này nhân với các tín hiệu sin và cosin sẽ tạo thành tín hiệu OFDM cuối cùng (hình 2.4)

Hình 2.5 là một ví dụ chỉ ra 3 sóng mang con của 1 tín hiệu OFDM Trong ví dụ này, mọi sóng mang con đều có cùng pha và biên độ, nhưng thực tế biên độ và pha của mỗi sóng mang con được điều chế khác nhau

Hình 2.5 Ba sóng mang con trong tín hiệu OFDM

Nhớ rằng mỗi sóng mang con chứa chính xác một số nguyên số chu kỳ trong khoảng chiều dài của tín hiệu OFDM – T, và số chu kỳ sai khác giữa hai sóng mang liên tiếp nhau là 1 Chính điều này xác định tính trực giao giữa các sóng mang con trong điều chế OFDM Khi số chu kì sai khác này không còn chính xác là 1 chu kì giữa hai sóng mang con thì có nghĩa hai sóng mang đó đã không còn trực giao với nhau nữa Chẳng hạn như sóng mang con thứ j được giải điều chế với tần số là j/T, và được lấy tích phân trong T(s), kết quả được:

s N

i s

t t T

j j

1

2

2 /

2 / exp 22

N

N

i

T t

t

N j s

N

T

j i j

Nhìn vào kết quả, có thể thấy rằng, với sóng mang thứ j, kết quả tích phân phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu QPSK trên sóng mang đó và chu kỳ T Tất cả các sóng mang con khác, bởi tần số sai khác nhau là (i-j)T nên tạo ra kết quả tích phân trong thời gian T bằng 0

Tính trực giao của các sóng mang con trong OFDM còn có thể được nhìn theo một cách khác Dựa vào biểu thức trên, mỗi tín hiệu OFDM bao gồm các sóng mang con có giá trị khác 0 trong khoảng thời gian T Do đó, phổ của mỗi tín hiệu OFDM đơn là tích chập của các xung Dirac tại tần số của các sóng mang con với phổ của xung vuông có giá trị bằng 1 tại khoảng thời gian T và bằng 0 ngoài đó Phổ biên độ của xung vuông là sinc(πfT), có giá trị bằng 0 tại những tần số là bội số của 1/T

Hình 2.6 Phổ của các sóng mang con

Tại giá trị cao nhất của phổ mỗi sóng mang con, phổ của mọi sóng mang con khác đều bằng 0 Vì hệ thống thu OFDM tính giá trị phổ chính xác tại các điểm đó – tương đương với giá trị lớn nhất của các sóng mang con, nó có thể giải điều chế mỗi tín hiệu sóng mang con mà hoàn toàn không lẫn nhiễu từ các sóng mang con khác Ở đây, dạng xung được vẽ trong miền thời gian chứ không phải miền tần số, do đó, tính trực giao sẽ bảo vệ tín hiệu OFDM khỏi nhiễu xuyên kênh ICI

Tín hiệu OFDM như trên chính là biến đổi IFT của tín hiệu đầu vào QPSK Phép biến đổi rời rạc theo thời gian là IDFT được biểu diễn như sau, trong đó, thời gian t được thay bằng thời điểm lấy mẫu n:

n

Trong thực tế, sự biến đổi này được thực hiện rất hiệu quả bằng IFFT Một phép biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi N2 phép nhân phức, mà thực tế chỉ là phép quay pha Tất nhiên, có nhiều yêu cầu cần thêm vào khi thực hiện IDFT, nhưng vì việc thêm các phần cứng thực sự ít tốn kém hơn là thêm các bộ nhân với số lượng lớn hoặc quay pha nên ở đây chỉ so sánh số phép nhân của hai phương pháp FFT giảm được một lượng lớn phép tính nhờ khai thác tính tuần hoàn, đối xứng của DFT Sử dụng IFFT – N điểm cơ số 2 chỉ yêu cầu (N/2)log(N) phép nhân phức Khi N=16, IDFT đòi hỏi 256 phép nhân phức trong khi IFFT chỉ yêu cầu 32 phép nhân Số lượng này còn giảm nhiều hơn nữa khi ta sử dụng IFFT cơ số 4

2.2.4 Khoảng thời gian bảo vệ và sự chèn vòng