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

Mỏ hình kênh trên quy mô lớn M ô hình tính toán dự đoán cường độ tín hiệu trung bình đối với m ột khoảng cách tuỳ ýgiữa nơi thu và nơi phát rất có lợi trong việc ước lượng phạm vi vùng p

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THANH HƯƠNG

C huycn ngành: K ỹ thuàt vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc

LUẬN VĂN THẠC s ĩ

NGƯỜI HUỐNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TSKH PHAN ANH

ĐẠI HỌCQUỔC GIA HÀ NỘI

TRUNG TÂMV! TĨHuHGTiIN.THƯVIỆN

-Hà Nội - Năm 2003

MỤC LỤC 1

Lời CẢM ƠN 3

CÁC TƯVIẼT TẮT 4

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: MÔ HỈNH KÊNH vồ TUYỂN 7

1.1 Mô hình kênh trên quy mô lớn 7

1.1.1 Kênh truyển lý tưởng 7

1.1.2 Mô hình che khuất loga chuẩn 8

1.2 Mô hình kênh trên quy mô nhỏ 9

1.2.1 Hiệu ứng đa đư ờ ng 9

1.2.2 Kênh fading và phân loại kênh fading 14

1.2.3 Các phân bố Rayleigh và R icean 16

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẾ HỆ THỐNG OFDM 18

2.1 Lịch sử hỉnh thành OFDM 18

2.2 Cấu trúc hệ thống OFDM 19

2.2.1 Ánh xạ tín hiệu 21

2.2.2 Biến đổi IFFT/FFT 22

2.2.3 Chèn và loại bỏ dải bảo v ệ 23

2.2.4 Chuyển đổipháưthu 25

2.3 Các ưu nhược điểm so với hệ đơn sóng mang 26

2.3.1 Ưu điể m

26 2.3.2 Nhược điểm 28

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

3.1 Giới thiệu chung về đồng bộ 30

3.1.1 Lỗi đổng bộ kỷ hiệu 30

3.1.2 Lỗi tạp âm pha và lỗi quay pha sóng m ang 31

3.1.3 Lỗi tẩn số lấy m ẫ u 32

3.1.4 Lỗi dịch tần s ố sóng mang (CFO) 33

3.2 Các kỹ thuật đồng b ộ 36

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

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

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MLE (MAXIMUM LIKELIHOODESTIMATION)

43

4.1 ước lượng độ dịch tầnsố qua kênh nhiễu cộngGaussian (AWGN) 43

4.2 Kết luận 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS TSKH Phan Anh, người đã tận tìnhhướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ThS.Trần Cao Q uycn, người đã có nhiều ý kiến góp ý cho tôi trong quá trình làm luận văn Tôi cũngxin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ, Đại học Q uốc gia H à N ội đã tạomọi điều kiện học tập và nghiên cứu cho tôi trong hai năm học vừa qua Tôi cũng xin gửi lời cảm

ơn tới các bạn học, các đồng nghiệp và gia đình, tất cả mọi người dã giúp đỡ tôi rất nhiều, đã độngviên và dành thời gian giúp cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Do thời gian nghiên cứu có hạn và phải tiếp cận với m ột vấn đề còn mới, bản luận văn khótránh khỏi có những thiếu sót Tôi rất m ong nhận được sự chỉ bảo góp ý của mọi người

H à Nội, tháng 6 năm 2003

N guyỗn T hanh Hương

CAC TU MET TAT

A sym m etric Digital Subcribcr Line

A dditive W hite G aussian N oiseBit Error Rate

Code Division M ultiple A ccessCarrier frequency offset

Cyclic PrefixDigital to AnalogDigital A udio Broadcast/ Digital V ideo Broadcast

D iscrete Fourier Transform

D irect Sequence Code D ivision M ultiple A ccess

F requency Division M ultiple A ccessFast Fourier Transform

G uard IntervalInterC arrier InterferenceInverse Fast Fourier TransformInterSym bol Interference

L ine -of-sightLow Pass Filter

M ax im u m A Posteriori Probability

M ulticarrier Code Division M ultiple A ccess

M ax im u m likelihood Estim ation

O rthogonal Frequency Division M ultiplexingParallel to Serial

Peak to A verage Power RatioPseudo -noise

5

LỜI NÓI ĐẦU

N gày nay, nhu cầu tích hợp các dịch vụ như thoại, hình ảnh, dữ liệu, hội nghị truyền hình,truy nhập Internet không dây tăng rất nhanh H on nữa, nhằm đáp ứng cho khách hàng về sựtiện dụng và khả năng di chuyển thì cũng cần dựa vào những ưu điểm của thông tin di động tốc độcao Vì vậy, thông tin vô tuyến di động tốc độ cao được xem như chia khóa cho vấn đề trên

N guyên lý của O F D M đã được đề cập đến vào khoảng năm 1966 Kỹ thuật này được sửdụng đầu tiên trong m ột số hệ thống quân sự tần số cao như K IN E PL E X , AN D E F T & K A

T H R Y N N ăm 1971, W einstein & Ebert đã áp dụng khai triển Fourier rời rạc (DFT) vào hệthống truyền dữ liệu song song trong quá trình điều ch ế và giải điều chế Sau đó, Cimini (1985)

đã đưa ra kỹ thuật O F D M cho kênh di động số

Sức lôi cuốn của O F D M là ở hiệu suất phổ cao, chịu được ảnh hưởng của kênh fading,loại trừ được nhiễu xung tốt hơn rất nhiều so với kỹ thuật kỹ thuật đơn sóng m ang Từ những

ưu điểm trên, dễ nhận thấy O F D M rất thích hợp trong m ôi trường fading nhiều tia (Rayleigh) O

F D M là m ột trong những lựa chọn đầy hứa hẹn để đạt được truyền dẫn tốc độ cao trong môitrường vô tuyến di động Với O FD M , sẽ có được hiệu quả băng rộng do các sóng m ang phụđược ghép chổng xcn kẽ nhau Tại nơi thu, bộ tương quan có thể phân tách các sóng m ang phụ vìchúng có tính chất trực giao

Tuy nhiên, vì tín hiệu O FD M nhạy cảm với lỗi dịch tần số sóng m ang hơn so với hệsóng m ang đơn ncn khó thiết lập đổng bộ tần số ở nơi thu Từ điểm này, luận văn sẽ nghiên cứuchi tiết hơn vào vấn đề đồng bộ tần số ở hệ thống O F D M trong m ôi trường vô tuyến di động

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dãn Phía phát bức

xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phíathu nhận sóng điện từ này qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc Căn cứ theo sự thay đổi khoảng cách so với bước sóng có thể lạm chia phạm vi tính toán kênh truyền thành hai loại như sau:

1.1 Mỏ hình kênh trên quy mô lớn

M ô hình tính toán dự đoán cường độ tín hiệu trung bình đối với m ột khoảng cách tuỳ ýgiữa nơi thu và nơi phát rất có lợi trong việc ước lượng phạm vi vùng phủ sóng và được gọi là các

m ô hình tính toán quy mô lớn Nó đặc tả cường độ tín hiệu ở khoảng cách rất lớn (hàng km ) giữa

nơi thu và nơi phát (hoặc khoảng cách này lớn gấp hơn 40 lần bước sóng X).

M ột inô hình khác dùng dể đặc tả sự dao động liên tục của cường độ lín hiệu thu ởkhoảng cách di chuyển rất ngắn (vài bước sóng) hoặc trong khoảng thời gian tồn tại ngắn (cỡ vàigiây) thì dược gọi là m ô hình fading hay m ô hình quy mô nhỏ [1]

1.L1 Kênh truyền lý tưởng

Kênh truyền lý tưởng được xem như là truyền sóng trong không gian tự do, là kênh khôngchịu tác động của phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Truyền sóng trên kcnh lý tưởng là dạng truyền sóng

cơ bản nhất Q uan hệ giữa công suất thu và công suất phát được m ô tả như sau:

đường truyền

Hệ số m ất m át trên đường truyền tính theo clB:

PL(dB) = 1o[log p - log p 1= 10log^- = -10 logl"-G-'-C~ậ - (1.2)

1.1.2 M ỏ hình che khuất loga chuẩn

Suy hao dường truyền tăng theo khoảng cách và theo lần số Trong không gian tự do thì

suy hao này tỷ lệ với bình phương khoảng cách như trong công thức (1.1) N hưng do các hiệu ứng

về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu Ihu được sẽ thăng giáng ngẫu nhiên Suy hao

thay đổi theo khoảng cách không phải là m ột giá trị duy nhất m à thăng giáng xung quanh m ột

Trong thực tế, các giá trị n và ơ thường tính được bằng phương pháp đệ

quy tối thiểu dựa trên cơ sở m ột số kết quả đo cụ thể; ơ thường có giá trị từ

6-lOdB Giá trị P L(d0) thường được tính theo giả thiết truyền trong không gian tự do từ nơi phát

đến khoảng cách d0

1.2 Mô hình kênh trên quy mỏ nhỏ

1.2.1 H iệu ứng đa đường

Thực tế quan sát kết quả đo trường vô tuyến di động, độ lớn tín hiệu thăng giáng nhanh vàdải thăng giáng lớn trong khoảng tlìời gian nhỏ và quãng đường dịch chuyển nhỏ (khoảng 5 - 1 0lần bước sóng)

- Lan truyền quy m ô nhỏ gây nên:

+ thay đổi nhanh độ lớn tín hiệu thu được+ xuất hiện điều c h ế tẩn số ngẫu nhiên do sự dịch tần đoppler (kết quả của chuycn động giữa nguồn thu và nguồn phát)

+ sự phân tán thời gian do việc truyền đa đường có thể dẫn đến giao thoa giữa các

ký hiệu ISI

- Các yếu tố gây ảnh hưởng gồm có:

+ yếu tố đa đường+ yếu tố tốc độ chuyển động lương đối của bộ thu so với bộ phát + yếu tố độ rộng phổ của tín hiệu

+ ngoài ra còn có ảnh hưởng của yếu tố m ôi trường

1 2 1 1 D ịch tần D o p p ler (d o p p ler shift)

N ếu truyền sóng trong m ôi trường vô tuyến m à nơi phát và nơi thu lại chuyển động thìkhi đó còn phải xét đến hiện tượng dịch tần doppler

so với d, góc giữa phương sóng tới với phương chuyển động là 0 , thời gian di chuyển hết khoảngcách d là Àt G iả sử nguồn phát ở rất xa, có thể coi 0 tại X và Y là như nhau

Hiệu đường truyền sóng tại X, Y là:

Sự lệch pha của tín hiệu nhận:

(1.5)

(1.6)Dịch tần này phụ thuộc vào tốc độ chuyển động V, phương của veclơ vận tốc với phương sóng tới

và tần số sóng tới

V í du:

M áy phát có tần số f là 1850 M H z, m áy thu chuyển động với vận tốc là

60 mph thì tần số fnhận nhận được trong m ột số trường hợp là:

a) T rư ờng hợp m á y thu chuyển động thẳng đến m á y p h á t: X = c/f = (3 10 8)/( 1850 106) =

0,162 m

V = 60 m ph = 26,82 mps cos

0° = 1

U n = f + fd = 1850.106 + 26,82/0,162 = 1850, 00016 M H z

b) T rường hợp m á y thu chuyển động ra xa m áy p h á t: cos 180° = -1

fnhận = f - fd = 1850.106 - 26,82/0,162 = 1849, 999834 M H z

c) Trường hợp m áy thu chuyển động vuông góc với phư ơ ng sóng tới:

cos 90° = 0 nên không có dịch tần doppler nên fnhạn = f = 1850 M H z

1 2 1 2 M ô hình đáp ứng xung của kênh đa đường

Các biến thiên quy m ô nhỏ của m ột tín hiệu vô luyến di động có thể liên quan trực tiếpvới đáp ứng xung của kênh Đ áp ứng xung là m ột hàm đặc trưng biểu thị tính chất của kênh, nóchứa các thông tin cần thiết để mô phỏng hay phàn tích quá trình truyền sóng vô tuyến qua kênh

vị trí d cố định, kênh giữa m áy phát và m áy thu có thổ mô hình hoá như m ột hệ tuyến tính bấtbiến theo thời gian Tuy nhiên, do có các sóng của nhiều đường truyền khác nhau, các sóng này có

các kênh tuyến tính bất biến theo thời gian sẽ phụ thuộc vào vị trí của m áy thu N hư vậy, đáp ứng

Với d = vt, vì vận tốc có thể được xem là không đổi trong m ột thời gian ngắn (hoặc m ộtkhoảng cách ngắn), ncn chỉ xét đáp ứng xung phụ thuộc theo thời gian h(t, x) Biến số t là các biếnthiên theo thời gian do chuyển động còn I là độ trễ của nhiều đường truyền của kênh đối với giá trị

cố định của l

Gọi tín hiệu truyền đi là x(l), tín hiệu nhận y(t) được biểu thị như là m ột tích chập của x(t)với đáp ứng xung của kênh:

(1.7)

Đ ể thuận tiện hơn CỈ10 việc tính toán, tiến hành rời rạc hoá trục trễ T của đáp ứng xung K ếtquả tính toán có [1]:

K ơ r ) = X tf/('>O expl/2 /r/;r, ( 0 + t )]5{ t - r,.(0)

/=0

đường thì i chạy từ 0 đến N - l Đ áp ứng xung h b(t,x) là đáp ứng xung của kênh đối với tín hiệubăng gốc Các thành phần a, (t,T) và Tị(t) là các biên độ thực và các trễ dư (excess delay) tươngứng các thành phần thứ i của nhiều đường truyền ở thời đ iểm t N hư vậy, độ trễ dư cực đại củakênh sỗ bàng N.ÀT

T hành p h ần pha \l7ỉfcTl(t) + ệí(,, T)\ trong (1.8) là độ dịch pha do sự truyền iheo k h ô n g

gian tự do của thành phần thứ i của nhiều đường truyền, cộng với các d ịch pha bổ xung bất kỳ dược kể đến trong kênh Nói chung,

thành phần pha này có thể được biểu diễn bởi m ột biến đơn Gị(t,i) Còn thành phần ỗ(.) là hàm xun g đơn vị

T rong m ô hình hoá của kênh quy m ô nhỏ, m ột thông số cũng hay được

quan tâm đến, gọi là biên dạng trễ công suất (pow er delay profile) Thông số này được tìm b ằ n g cách lấy trung binh theo không gian của |/íft(í,r)|2qua m ột vùng cục bộ [1]:

P ự - T ) * k \ h b ( r , T) \ 2 (1.9)

T rong đó k là hệ số khuếch đại liên hệ công suất phái trong xung thử p(t) với công suất tổ n

g cộng thu được trong m ột biên dạng trỗ nhiều đường truyền (với p(t) gần n h ư là m ột hàm delta:p(t) « ô(t - 1 ))

ỉ 2 1 3 C á c th ô n g s ố của kênh đa đường

T ừ biên d ạn g trễ công suất m à suy ra được nhiều thông số của kênh đa đường, liên q u

an đến đặc tính phân tán thời gian của kênh có hai thông số sau:

- Đ ộ tr ễ d ư trung bình của kênh ( ĩ )

- Đ ộ rộng kên h kết hợp (Bc)

Đại lượng trải trễ rms về phương diện tần số sẽ ứng với m ột độ rộng băng tần được gọi là

độ rộng kênh kết hợp N ó được coi là m ột dải tần số đi qua kênh có đáp ứng tương đối bằngphẳng, hay độ tương quan của các đáp ứng tần số trong dải là lớn

N ếu coi độ tương quan là 0,9 thì độ rộng kênh kết hợp:

- T rả i tần d o p p le r và thời gian kết hợp

Phổ m ở rộng này sẽ có các thành phần trong khoảng từ (f-fd) đến (f+fd) với fdđược tính Iheo công thức(1.6)

Thời gian kết hợp T c là tính đối ngẫu trong lĩnh vực thời gian của độ trải doppler Đ ây là hai đại lượng tỷ lệ nghịch với nhau

Tc * j

-J m

fm là dịch chuyển dopplcr cực đại cho bởi fm = v/x,

1.2.2 Kênh fading và phân loại kênh fading

F ading là hiện tượng tín hiộu thu bị yếu và bị thãng giáng tại nơi thu Fading quy m ô nhỏphụ thuộc vào tính chất tín hiệu như: độ rộng dải, chu kỳ

lập lại, tính chất kênh , nó được đánh giá bằng độ trải trễ rm s và trải tần doppler (do hiệu ứng đa

đường và chuyển động của bộ phát và bộ thu)

Bảng 1.1: Phân loại kênh fading

- Trải tần đoppler cao

- Thời gian kết hợp nhỏ hơn

F ading

chu kỳ ký hiệunhanh

Fading

kỳ ký hiệuchâm

- Sự biến đổi của kênh chậmhơn sự biến đổi của ký hiệu

- Đ ộ rộng băng tần tín hiệu nhỏhơn độ rộng băng tần kcnh kết

F ading

hợpphẳng

- Trải trễ thời gian lớn hơn chusố

Fading phẳng không làm méo ký hiệu, còn fading chọn lọc tần số thì làm méo

ký hiệu gây nên ISI Thế nhưng nhược điểm này sẽ được khắc phục trong hệ thống

OFDM, chi tiết hơn được trình bày trong chương 2 của luận văn này

1.2.3 Các phán bô Rayleigh và Ricean

1.2.3.1 Phân bô'fading Rayleigh

Phân bố fading Rayleigh là mô tả thống kê sự thay đổi biên độ của tín hiệu

nhận được trong kênh fading phẳng, hay của một thành phần riêng rẽ Trong kênh

này, không có thành phần nào nổi trội, gồm nhiều thành phần đa

đường, không có đường truyền nhìn thấy (LOS)

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:

0 < r < 00

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

tín hiệu theo thời gian

Phương sai của r:

ơ ) = £ ( r 2) - E 2( r ) = ị r 1 p ( r ) d r = 0,4292cr (1.16)

2

1.2.3.2 Phân bố fading Rice an

Kênh truyền có fading Ricean xảy ra khi trên nền kênh Rayleigh có thành phần

nổi trội, thường đây là đường truyền nhìn thấy (LOS) Các phép thống kê cho dạng

hàm mật độ xác suất của biên độ nhận được như sau:

A > 0 r > 0

Với, A: biên độ đỉnh của thành phần trội

ỈQ : hàm Bessel loại 1, bậc 0

Hàm phân bố Riccan thường diễn đạt qua thông số K

K(dB) = 10 log ( /í

ì

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

Tóm lại, vì nhiều lý do như trên mà việc truyền tin trong môi trường vô tuyến làrất khó khăn, đặc biệt là thông tin tốc độ cao Với những ưu điểm của mình, OFDM

đã khắc phục được các khó khăn trên OFDM là hệ thống rất phù hợp với môi trườngnày

f ĐA! HOC

1RUNHTÂ:

¡loiỄ 1X7 1 0 «

CHƯƠNG 2: TổNG QUAN VỂ HỆ THONG OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở đây, dòng

dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn và chúngđược truyền đổng thời trên các sóng mang con OFDM vừa là một kỹ thuật điều chế,cũng vừa là một kỹ thuật ghép kênh [4] Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mangnên chu kỳ một ký hiệu OFDM sẽ tăng và trải trễ đa đường sẽ giảm Nhiễu giữa các

ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích họp trong mỗi ký hiệu OFDM.Với nhiều ưu điểm nổi bật, hệ thống OFDM đang ngày càng được triển khai rộngkhắp trên thế giới

2.1 Lịch sử hình thành O FD M

Nguyên lý của OFDM đã dược đề cập đến vào khoảng năm 1966 Bắt đầu từviệc Chang ở phòng thí nghiệm BellLab đưa ra bài báo viết về truyền tín hiệu hạnbăng trên nhiều sóng mang con Bài báo này đã chứng minh rằng có thể lách nhiễuISI mà không cần tới các mạch lọc hoàn hảo Các kết quả này đã thu hút được sựquan tâm đặc biệt cả trong giới học thuật và công nghiệp Kỹ thuật của Chang được

sử dụng đầu tiên trong một số hệ thống quân sự tần số cao như KINEPLEX,ANDEFT & K ATH R YN

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

Năm 1971, một bước ngoặt đã xảy ra, đánh dấu một bước phát triển mới của

hệ thống OFDM Weinstein và Ebert đã áp dụng khai triển Fourier rời rạc (DFT) códùng thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT vào hệ thống truyền dữ liệu song songtrong quá trình điều chế và giải điều chế Hai nhà khoa học trẻ này còn đưa ra kháiniệm khoảng bảo vệ GI, nghĩa là chèn vào những đoạn trống trước khi truyền tín hiệu

đi GI có hai chức năng chính: triệt

ISI và khống chế ISI Hầu hết các hệ thống OFDM ngày nay đều dựa trên cấu trúc này.

Sau đó, Cim ini (1985) đã đưa ra kỹ thuật OFDM cho kênh di động số Tiếpđến, năm 1989, Pelecl và Ruiz đã cải tiến và dùng tiền tố vòng CP CP giúp duy trìtính trực giao dù chất lượng kênh không tốt Với những cải tiến trên, hệ thống OFDMngày nay đã được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: DAB/DVB, ASDL và mạng

vô tuyến cục bộ W LA N

Cấu trúc một hệ OFDM được mô tả như sau:

2.2 Cấu trú c hệ thống O FD M

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là phân chia luồng dữ liệu trước khi phát

đi thành N nhánh dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đótrên một sóng mang con khác nhau

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

Các vectơ phức này được điều chế ở dạng băng tần gốc bằng thuật toán IFFT

và sau đó được chuyển lại ihành các dữ liệu nối tiếp để truyền dẫn

Dải bảo vệ được chèn vào giữa các ký hiệu để tránh ảnh hưởng của ISI dotruyền đa đường Sau đó các ký hiệu rời rạc này lại được chuyển đổi sang dạnganalog băng tần gốc, qua bộ lọc thông thấp và điều chế sóng mang cao tần để phátlên trên kênh vô tuyến

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

D ữ liệu n h ậ n

H ình 2.1 M ô hình hệ thông O FD M (Zou and Wu, 1995)

2.2.1 Ánh xạ tín hiệu

Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng mang con

Sau khi ra khỏi bộ biến đổi s/p, các nhánh dữ liệu con với tốc độ bit thấp được đưa

vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M -Q A M Đây là hệ điều chế thực hiện điều

chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữ liệu con Khi đó, các nhóm n bit

(M =2n) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện điều chế cả về

pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký

hiệu M -Q A M Như vậy, mỗi ký hiệu M -Q A M sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban

đầu, và có thể được biểu diễn bằng các vcctơ phức I - Q

Hình 2.2 là một ví dụ điều chế 16 Q AM , nó ánh xạ 4 bit trên mỗi ký

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

ở nơi thu, véc tơ I - Q là được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu Trong

quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và méo do nhiễu nhiệt hay kênh

không hoàn hảo Khi đó các điểm trên mặt phẳng I - Q sẽ lại nhoè đi Bộ thu khi đó

phải ước lượng được gần đúng nhất véc tơ truyền đi Lỗi sẽ xảy ra khi nhiễu vượt

quá một nửa khoảng cách giữa các điểm trong mặt phẳng I - Q, khi đó nó sẽ vượt

qua ngưỡng quyết định

Hình 2.3 Giản đồ chỏm tín hiệu của tín hiệu thu 16 QAM

2.2.2 Biến đổi IF FTIF FT

Vì thu hẹp các kênh trên miền tần số thì trên miền thời gian, các tín hiệu được

truyền đi bởi các kênh nhỏ sẽ bị chồng chéo lên nhau Do đó các tín hiệu này ycu cầu

phải hoàn toàn trực giao với nhau trên miền tần số, vì nếu chúng không trực giao với

nhau thì chúng sẽ gây nhiễu cho nhau (nhiễu này do phần năng lượng nằm ngoài

băng thông của các kênh nhỏ kế cận nhau gây ra) Do đó, phải có một phương thức

biến đổi làm cho tín hiệu sau biến đổi ở các kênh nhỏ là trực giao với nhau Biến đổi

Fourier thoả mãn điều này nên nó được dùng trong OFDM và có thổ áp dụng biến đổi

Fourier nhanh FFT để đơn giản hoá việc tính toán Nhờ việc sử dụng IFFT/FFT mà số

lượng các phép nhân phức giảm xuống nhiều, chỉ còn N/2 log2N phép nhân phức

thay vì N phép nhân phức của bộ DFT thông thường Mô tả tín hiệu, tính toán quá

trình biến đổi tín hiệu sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 4

Sau khi điều chế sóng mang theo biên độ và pha của dữ liệu, các sóng mang

này đi tiếp đến bộ IFFT Thông thường, số sóng mang con Ihực sự được

sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT ncn những đầu vào còn thiếu sẽ được gán các giá trị bằng không Tất cả những thao tác này được thực hiện

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

Ở phía thu tiến hành quá trình ngược lại với quá trình phát, dùng FFT để khôiphục tín hiệu Hình 2.4 là sơ đồ minh hoạ cho bước biến đổi IFFT trong quá trìnhphát

Hình 2.4 Mô tả biến đổi IFFT

2.2.3 Chèn và loại bỏ dải bảo vệ

Với cùng một dải thông, ta thấy tốc độ của ký hiệu OFDM nhỏ hơn khi truyềnđơn sóng mang V í dụ hệ đơn sóng mang dùng điều chế BPBK, tốc độ ký hiệu bằngtốc độ bit trong khi OFDM chia dải thông thành N sóng mang con vì vậy tốc độ kýhiệu nhỏ hơn N lần so với đơn sóng mang Tốc độ ký hiệu thấp khiến OFDM có tínhkháng nhiễu cao so với ảnh hưởng của ISI do truyền đa đường

Những ảnh hưởng của ISI lên OFDM có thể được cải thiện hơn nữa khi thêmvào các dải bảo vệ trước mỗi ký hiệu Dải bảo vệ được chọn sao cho nó có khoảngthời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, khi đó thành phần

đa đường sẽ không làm nhiễu đến thành phần kế tiếp

Dải bảo vệ chèn vào có thể là dải trống hoặc một ký hiệu đặc biệt Tuy nhiênkhi chèn dải trống vào thì tuy tránh được hiện tượng ISI nhưng lại không tránh đượchiện tượng nhiễu xuyên giữa các sóng mang ICI [4] Vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bịtác động bởi kênh fading thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuầnhoàn trong một số sóng mang con thành phần nên tính trực giao giữa các sóng mangcon trong một ký hiệu OFDM không còn nữa, dẫn đến IC I tăng lên

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

Hình 2.5 Chèn thêm dải bảo vệ