Tổng quan về công nghệ OFDM và dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Bên cạnh đó, chúng ta cũng giới thiệu sơ qua về các đặc tính, ảnh hưởng của kênh vô tuyến đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB-T, các kỹ thuật

Lời nói đầu

Trong cuộc sống ngày càng hiện đại, thông tin liên lạc và các loại hình giảitrí trên hệ thống mạng cũng như vô tuyến truyền hình đóng vai trò rất quan trọng,đóng góp tích cục vào sự phát triển của đất nước và trong đời sống hằng ngày củamỗi cá nhân như chúng ta có thể nắm bắt nhanh chóng thông tin thị trường, thời tiết,văn hóa xã hội, chính trị quốc phòng, an ninh thời sự,…và cũng có thể là môitrường giáo dục, giải trí lành mạnh cho con người Bằng những bước ngoặc pháttriển thần kỳ, công nghệ điện tử- tin học- viễn thông đã tạo nên một trào lưu mớitrong nhiều thập kỷ qua Đặt biệt là bước nhảy vọt của nghành truyền hình, từ tínhiệu analog và bây giờ là truyền hình số

Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến đã nhanh chóng ra đời như FDMA,TDMA, OFDM,…nhằm đáp ứng cấp thiết về tốc độ truyền dẫn, lưu lượng truyền vàchất lượng thu được OFDM là một trong những giải pháp tuyệt vời để giải đáp vấn

đề này, đặt biệt trong truyền hình số mặt đất DVB-T Đó là lý do em chọn đề tài

“Tổng quan về công nghệ OFDM và dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T”

Mục đích của đề tài là nêu lên được khái quát chung, cấu trúc và ưu nhượcđiểm của kỹ thuật Đồng thời nêu ứng dụng kỹ thuật trong truyền hình số mặt đất vàphát triển thêm trong tương lai

Đồ án của em gồm những nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật và các vấn đề trong OFDM

Chương 2: Truyền hình số mặt đất DVB-T và ứng dụng OFDM trong truyền hình

số mặt đất DVB-T

Chương 3: Tình hình áp dụng và triển khai truyền hình số mặt đất tại Việt Nam

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do lượng kiến thứcvẫn đang còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhậnđược sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy cô và cácbạn trong lớp Cuối cùng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến anh chị, bạn bè

và thầy cô trong khoa Kỹ Thuật- Công Nghệ trường Đại học Quy Nhơn đã tận tìnhchỉ bảo và giúp em và người đặt biệt nhất là giáo viên hướng dẫn đồ án T.s ĐàoMinh Hưng đã ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em được hoàn thành đồ

án tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày….tháng…năm… Sinh viên

Trần Thế Huy

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT VÀ CÁC VẤN ĐỀ TRONG OFDM 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này chúng ta sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm, nguyên lý

và các vấn đề liên quan trong OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, tính trực giao, khoảng bảo vệ và tiền tố lặp CP Bên cạnh đó, chúng ta cũng giới thiệu sơ qua

về các đặc tính, ảnh hưởng của kênh vô tuyến đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB-T, các kỹ thuật điều chế của các sóng mang phụ trong hệ thống OFDM Tìm hiểu 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 chữa khoảng dịch tần số; điều chỉnh sai số lấy mẫu Chúng ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó: đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Bên cạnh đó, chúng ta cũng nêu ra một số phương thức mã hóa đang đươc ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống thôngtin hiện nay Đồng thời đưa ra các ưu nhược điểm của hệ thống OFDM trước khi ứng dụng vào các hệ thống vô tuyến

1.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.2.1 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM

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

phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số cácsóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mangcon song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đườngđược giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việcđưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thờigian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa cácsóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế

đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,

ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóngmang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóngnày cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng

mang lân cận Sự chồng chập này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mangđược chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm không của

sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôi

phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóngmang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độthấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao.Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời giansymbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đađường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đàiphát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sựngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạmvới các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạmđược kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này đượctruyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cảcác sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số vớinhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang nàychồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang(ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần cókhoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm

Tần số

Tiết kiệm băng thông

(b)

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ

thuật sóng mang chồng xung (b).

giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên, với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng manglàm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM.

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song

tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗidòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC)

và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đếnđầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với cáckênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễuxuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộlọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao đểtruyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễugây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đượctại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thờigian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào

sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mangnhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Cácsymbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùngchúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

1.2.2 TÍNH TRỰC GIAO TRONG OFDM

Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Trực giao

là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyềnthông thường mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽgây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lượng thông tin Có rất nhiều kỹthuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao Kỹ thuật phân kênh theo thời gian

)

h(n)

y f (n )

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo

(TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tinmột khe thời gian Trong suốt thời gian truyền một khe thời gian, chỉ có một bản tinduy nhất được truyền Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đãtránh được nhiễu giữa chúng Các bản tin có thể được xem như là đã trực giao vớinhau, trực giao về mặt thời gian Kỹ thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tínhiệu trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và cómột khoảng trống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng

mang trực giao Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lầnnghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy, trong thời gian tồn tại symbol, mỗisóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Như vậy mỗi sóng mang con

sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúngvẫn không gây nhiễu cho nhau Hình 1.3 sẽ cho thấy cấu trúc của một tín hiệuOFDM với 4 sóng mang con

Hình 1.3: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM.

Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần, với

chu kỳ tương ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóng mang con này đều bằng 0.Hình (1b), (2b), (3b) và (4b) tương ứng là FFT của các sóng mang con trong miềnthời gian Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4 sóng mang con và kết quả FFTcủa nó

Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao với nhaunếu chúng thoả mãn :

j i

j i C dt

t s t s

0 ( ) ( ) 0 (1.1) Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2 sóngmang con khác nhau thì bằng 0 Điều này có nghĩa là ở máy thu các sóng mang conkhông gây nhiễu lên nhau Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểuthức toán học của nó sẽ có dạng :

T t t

kf t

s k

0

,

2,10

)2sin(

)

(1.2)

N: số sóng mang con trong một symbol

T : thời gian tồn tại của symbol

Nf 0 : sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol

Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi được điều chế sẽ giốngnhư hình sau Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được điều chế thì dạngphổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm

Hình 1.4: Phổ của họ sóng mang trực giao.

Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâm của

sóng mang con khác thì bằng 0

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi được biểu diễn bởi một dạng sóng

điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang Sóng mang này

thường có dạng hình sin Sau khi được điều chế tin tức, trong sóng mang không chỉtồn tại duy nhất một tần số mà là tổ hợp gồm: tần số trung tâm của sóng mang vàcác hài Mức tương đối của một tần số khi so sánh với một tần số khác được cho bởiphổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này có được phép biến đổi Fourier dạng sóngmang trong miền thời gian Về mặt lý thuyết, để đạt được giá trị phổ chính xác thìphải quan sát dạng sóng mang trong toàn bộ miền thời gian (-  +), tức là phảithực hiện phép biến đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm Khôngmột hệ thống kỹ thuật nào có thể làm được điều này Thực tế cho thấy chỉ cần thựchiện phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạngsóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fourier tại một

số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Disccrete FourierTransform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của nó được gọi là phépbiến đổi Fourier ngược

Như đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang con

dạng hình sin trong miền thời gian Trong miền tần số các sóng mang con có dạng

sinc (sin cardinal), hay sin(x)/x Dạng sinc có một búp chính và các búp phụ có giá

trị giảm dần về hai phía tần số trung tâm của sóng mang con Mỗi sóng mang con

có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng

khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f0) Tính trực giao giữa các sóng mang

thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóngmang con khác bằng 0 Ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thìphổ của nó không còn là liên tục mà là các mẫu rời rạc Các mẫu đó được biểu diễn

bởi các khoanh tròn (O) trên hình 1.5 Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số

mẫu của DFT sẽ tương ứng với đỉnh của các sóng mang con Và như vậy thì sựchồng phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu Giá trị đỉnh củamột sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trựcgiao giữa các sóng mang được bảo đảm

Hình 1.5: Phổ của một tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con.

Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b)

là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con

Hình 1.6: Ghép các symbol lên các sóng mang con (chưa có khoảng bảo vệ).

1.2.3 KHOẢNG BẢO VỆ GI (Guard Interval)

Với một dải thông cho trước, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM nhỏ hơnnhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang Nếu

sử dụng phương thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ bằng với tốc độ bit truyềndẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang conlàm cho tốc độ symbol thấp hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thốngđơn sóng mang Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khảnăng chịu ISI rất tốt

Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM

bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trước mỗi symbol Dải bảo vệ của mỗisymbol là một phần bản sao của chính symbol đó Thường thì người ta hay dùngphần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó Khi đó khoảng bảo vệ GIđược gọi là CP (Cyclic Prefix) Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian truyền củasymbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI Mỗi sóng mang con mang một

phần tin tức của một symbol, dùng một phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho

việc truyền dẫn liên tục, không có sự ngắt quảng giữa các symbol Hơn nữa, dải bảo

vệ còn cho phép giảm lổi do sự xê dịch thời gian ở máy thu

1.2.4 TIỀN TỐ LẶP CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến

mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI) và nhiễu xuyên kênh (ICI)đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Đểthực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ

và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thờigian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thờigian truyền một ký tự (TS) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (TG) và thờigian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát

đi một ký tự)

a)

b)

Hình 1.7: Chèn thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ TG và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chếnhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứngdụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là TG tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy

nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delayspread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được cácxuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tínhiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipatheffect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà cònđến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời

điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênhlệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệuthu được qua đường phản xạ.

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng

khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thốngOFDM

Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu

tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được saochép và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống đượcnhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệusuất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trảitrễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúngphải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền

1.2.5 CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM

1.2.5.1 Đặc tính chung

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát

và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễunhư: nhiễu Guass trắng cộng (AWGN), Fading phẳng, Fading lựa chọn tần số,Fading nhiều tia… Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài(external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trườngtruyền đa đường (Multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fadingnhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mangtrực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuậtOFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chọn tần số, các kênh con cóthể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp(CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sựđồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang

1.2.5.2 Suy hao

Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến sẽ yếu đi khi khoảng cách xa.

Phương trình (1.3) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự

Trong đó: PR: là công suất thu được (W)

PT: là công suất phát(W)

GT : là độ lợi anten phát (dB)

GR : là độ lợi anten thu (dB)

 : là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

R : là khoảng cách truyền dẫn (m).

1.2.5.3 Các loại Fading

Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có

sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất vànước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua

1.2.5.3.1 Fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath

Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuântheo phân bố Rayleigh Hình 1.8 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường cóthể xảy ra

Hình 1.8: Tín hiệu đa đường.

1.2.5.4 Hiện tượng Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler Dịch tần

Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sựchuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Cụ thể là: khi nguồn phát vànguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát

đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm

đi Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau:

c

v f

f  0

 (1.5)

vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng

1.2.5.5 Trải trễ trong hiện tượng đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản

xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảngdài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian Khoảngtrải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệuthu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trong thông tin vô tuyến, trảitrễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục

1.2.5.6 Nhiễu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễuliên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.

(inter-Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệthống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được thể hiện một cách chính

xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễuphổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất làđồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Theo phươngthức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến làkênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là

loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn.Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết cácthành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác độngtrên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễunày thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

1.2.5.7 Nhiễu liên ký tự ISI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh

truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trảitrễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầuhiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thểthực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế làchèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác độngkhông nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quantrọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng

thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký

tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễuliên ký tự (ISI) Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơngiản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP

Ví dụ về ISI được cho ở hình 1.9 Chuỗi ‘0’ được phát từ BTS Nếu tín hiệu

phản xạ đến chậm hơn đúng một bít so với tín hiệu đi thẳng thì máy thu kí hiệu là

‘1’ ở tín hiệu phản xạ sẽ giao thoa với kí hiệu ‘0’ của tín hiệu đi thẳng và máy thu sẽquyết định nhầm là kí hiệu ‘1’

Hình 1.9 : Ví dụ về ISI.

1.2.5.8 Nhiễu liên sóng mang ICI

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn lên nhau nhưng vẫn trực giao

với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mangthì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trêncác sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóngmang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễuxuyên kênh (ICI) như ở hình 1.10

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch

Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kếtquả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễuISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong

hệ thống OFDM

1.2.6 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG PHỤ TRONG OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều

chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặchiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ

vào M và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự a n , b n có thể được chọn là {±

1, ±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độtruyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

Hình 1.10: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.

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

để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:

( ) 2 cos[2f t (t)]

T

E t

cos[

2)

(]

2cos[

S t

f T

E t

b

b c

b

b

(1.8)

Trong đó: T b: Độ rộng của 1bit

E b: Năng lượng của 1 bit

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

θ: góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không

ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

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

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

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

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

Hình 1.11 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK.

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễuGauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo côngthức sau:

Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn.

Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:

0 0

) ) ( 2 cos(

.

2 )

Với pha ban đầu θ ta cho bằng 0

4)12()

 t  i (1.14)

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

"10"

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

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

( ) 2 sin(

4 )]

1 2 sin[(

2 ) 2 cos(

] 4 ).

1 2 cos[(

T t t

f i

T

E t

f i

T t

Khi đó,

4 ) 1 2 cos[(

) ( ] 4 ) 1 2 sin[(

) ( )

]4)12sin[(

E

i

E s

độ lẫn pha Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.

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

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

T

E t

f a

T

E t

Trong đó,

E0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.

ai , bi : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.

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

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

T t

T t

Hình 1.13: Chùm tín hiệu M-QAM

1.3 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG OFDM

1.3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM

Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số,

ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giaothoa tần số Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tínhđồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đếnnhiễu ISI và mất độ chính xác tần số dẫn đến nhiễu ICI Các hệ thống sử dụngOFDM dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mấttính trực giao giữa các sóng mang phụ Để giải điều chế và nhận biết tín hiệuOFDM chính xác yêu cầu các sóng mang phụ phải có tính trực giao

Khi các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu chính xác thì hai yếu

tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảngthời gian symbol Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịchkhoảng thời gian symbol gây nên nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tácđộng đến sự mất đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chínhxác nhiều hơn khoảng thời gian symbol

Quá trình đồng bộ có 3 bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần số

(pha), bám đuổi pha

Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM.

1.3.1.2 Nhận biết khung

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các ký tự OFDM Để nhận biết

khung chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hoá vi phân Nhờ đặcđiểm tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác Khi chuỗi PNphát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các ký tự OFDM bằngviệc quan sát đỉnh tương quan

Nhận

biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

FFT Bám đuổi

pha

Ước lượng kênh

Giải mã

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 nhấtxuất hiện tại đỉnh năng lượng của trể đa đường Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhấtnày dùng để định vị ranh giới ký tự OFDM Một điểm mấu chốt là do nhận biếtkhung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số nên sai lệch phakhông được bù giữa các mẫu tín hiệu do khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ tính tươngquan của chuỗi PN Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạngsine 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 Tạiphía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đãbiết

1.3.1.3 Ước lượng khoảng dịch tần số

Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và

phía thu Khoảng dịch tần số là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóngmang so với hệ thống đơn sóng mang

Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai symbol dẫn đường OFDM, với

symbol thứ hai bằng symbol thứ nhất dịch sang trái TG (TG là độ dài tiền tố lặp CP)

Các tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài symbol FFT) thì giống hệt nhau

ngoại trừ thừa số pha ej2  ( f C T) do khoảng dịch tần số Khoảng dịch tần số đượcphân thành phần thập phân và phần nguyên:

f c T A  (2.1)

Ở đây phần nguyên A và phần thập phân ρ є (-1/2, 1/2) Phần thập phân được

ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu cách nhau một khoảng

thời gian T Phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN được mã hóa vi

phân qua các sóng mang phụ lân cận của symbol dẫn đường

1.3.1.4 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE

Để phân tích ảnh hưởng này, ta xét một hệ thống OFDM với chu kỳ ký hiệu:

TS = TG + T hoặc NS = NG + N biểu diễn số mẫu tín hiệu Thừa số pha của

khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu OFDM được biểu diễn:

Trong đó:  được định nghĩa trong (2.6)

Giá trị số hạng exp j2mN S /N gây lỗi pha ký tự, còn số hạng

 j2 l/N

exp   trong công thức (2.13) gây ra nhiễu ICI.

Vì thừa số lỗi pha là không đổi trên toàn bộ ký tự nên có thể được bù trongmiền tần số sau bộ FFT Tín hiệu sau FFT được biểu diễn:

m k  j mN NUm k C m k Zm k

Y , exp 2 S / , ,  , (2.14)

Trong đó: k là chỉ số sóng mang nhánh và ta đã bỏ qua nhiễu ICI Lỗi pha

)/

2

( mN S N tăng tuyến tính trên các ký tự

Có thể bám đuổi lỗi pha bằng cách dùng vòng khoá pha số DPLL Ngoài ra,DPLL cũng bám theo nhiễu pha ở trong độ rộng băng thông của vòng lặp của nó.Cấu trúc của DPLL gồm một bộ tách sóng pha, bộ lọc vòng và một VCO Hàmtruyền đạt của DPLL là:

2

12

1

12

n n

n n

z z

z z

Trong đó: và n được gọi là hệ số tắt dần và tần số của DPLL DPLL bậchai hay được sử dụng thay cho DPLL bậc một vì ta yêu cầu lỗi trạng thái là ổn định

với đầu vào tuyến tính, nghĩa là (2 )

20

1

2

n n

1

n

(2.16)

Điều kiện này phải thoả mãn khi chọn các thông số của DPLL

Để thực hiện tách sóng pha, phải ước lượng được hệ số lỗi pha Bởi vì hệ số

lỗi pha là chung cho tất cả các sóng mang nhánh nên được ước lượng sử dụng J:

Để tính J phải biết được cả dữ liệu U(m,k) và các đáp ứng kênh C(m,k).

Tách sóng pha được thực hiện:

e arg  ˆ (2.18) Trong đó: e(m) là giá trị ra của bộ tách sóng pha

ˆ m là giá trị ra của DPLL

Chú ý rằng arg J là một ước lượng nhiễu và có độ lệch chuẩn (STD:

Standard deviation) là:

SNR N

Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu

và đồng bộ tần số sóng mang

1.3.2.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu Sự

chênh lệch nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thànhphần tín hiệu có ích, tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI

Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ nhất là sử dụng thuật toán điều khiển

bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp VCO; giải pháp thứ hai là các tần số lấy mẫuvẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sựđồng bộ

1.3.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang

Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi

tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng khoảng dịch tần số sóng mangCFO

1.3.2.2.1 Lỗi tần số

Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên

phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiện khi kênhtruyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là: suy giảm biên độ tín

Hình 2.2: Lỗi đồng bộ gây ra nhiễu ICI.

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)

1.3.2.2.2 Ước lượng tần số

Để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố

lặp CP Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng đểtruyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đãbiết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần sốgây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòngkhóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

1.3.3 ĐỒNG BỘ KÍ TỰ

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 hiệnmột cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗithời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

1.3.3.1 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 dàikhoảng 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 phacủa 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 ký tự, đó là: đồng bộ

ký tự dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ ký tự dựa vào tiền tố lặp

1.3.3.2 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

1.3.3.3 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 điềutần Theo đó, máy phát sẽ sử dụng mã hoá một số kênh nhánh với tần số và biên độbiết trước Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tínhiệu 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 haykhông 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 kháthấp là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác trong bước này làkhông cao, song nó sẽ làm đơn giản 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 củatín hiệu phát (được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan Tần suất ước lượng cácđiểm phải gấp bốn lần tốc độ tính hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượngđỉnh tương quan

Ở bước đồng bộ tinh, do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệunên kể cả ảnh hưởng của lỗi đồng bộ, đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong thờikhoảng 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 lỗithời gian gây nên Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyếntính Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng Các ký tự pilot được chènvào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý Thông thường ký tự pilot được chèn vàophần đầu tiên của gói OFDM như hình 2.3 :

a, Kênh fading phẳng tần số

b, Kênh fading lựa chọn tần

Hình 2.3: Pilot trong gói OFDM

1.3.3.4 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 cảCP), khi đó:

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 nàytrùng 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

Ở đây, một vấn đề cần chú ý là quan hệ giữa đồng bộ tần số và đồng bộ thờigian Để giảm ảnh hưởng của mất đồng bộ tần số, có thể giảm số lượng sóng mang

nhánh, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Tuy nhiên, giảm số lượngsóng mang sẽ thu nhỏ thời khoảng ký tự trên mỗi sóng mang làm độ nhạy với sai lỗithời gian của hệ thống tăng lên, yêu cầu về đồng bộ thời gian phải chặt chẽ hơn Vìvậy, cần phải nghiên cứu để dung hoà hai yêu cầu về đồng bộ thời gian và đồng bộtần số.

1.3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA LỖI ĐỒNG BỘ TỚI HIỆU SUẤT HỆ THỐNG OFDM

Người ta thường đánh giá ảnh hưởng của sự sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xácđịnh độ suy giảm của SNR

Bảng 2.1: Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ

Loại/ lượng lỗi đồng bộ Độ suy giảm SNR (dB)

Lỗi tần số sóng mang ε 1 , kênh AWGN

D ≈

O

S N

E

2

)(10ln3

5947.01

e N

E O S

Nhiễu pha sóng mang, độ rộng β 2

D ≈

O

S N

E

)4(10ln6

11



Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu 3

s f

E

D ≈ 10 log

Dựa vào bảng có thể đưa ra một số nhận xét:

- Sự đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu ảnh hưởng đếnchỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (kể cả kênh fading lẫn kênh AWGN) Suyhao SNR [dB] tỷ lệ bình phương với độ sai lệch tần số sóng mang

- Độ rộng nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang Vìvậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóngmang.

- Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bìnhphương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối

- Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủnhỏ sao cho không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng thờigian của CP

1.3.4.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ ký tự

OFDM chịu được lỗi thời gian vì có khoảng bảo vệ giữa các symbol Đối với

kênh không có multipath, độ lệch thời gian có thể bằng khoảng bảo vệ mà khônglàm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ Sự quay pha được sửanhư một cân bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm hiệu suất, vì một phầnsymbol áp dụng phép biến đổi FFT chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến cannhiễu giữa các symbol

1.3.4.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

OFDM nhạy với offset thời gian nên dễ ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật Việc

điều chế tín hiệu OFDM có offset thời gian có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều này

do mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) và chậmsửa quay pha các vectơ thu được

Các lỗi tần số thường do 2 nguyên nhân chính Đó là các lỗi của bộ dao độngnội và tần số Doppler Sự sai khác bất kỳ về tần số của bộ dao động nội máy phát vàmáy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuy nhiên các lỗi tại chỗ làm cho hiệu suất hệthống giảm Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ Doppler trong tínhiệu Điều này xuất hiện như offset tần số Việc điều chế FM trên các kênh phụ cókhuynh hướng ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ đa đường xảy ra trong các môitrường điển hình

1.3.5 MÃ HÓA KÊNH

Hầu hết các ứng dụng của OFDM đều phải sử dụng các phương thức mã hóa

để đạt được hiệu quả mang muốn Chọn được phương thức mã hóa phù hợp là điềuhết sức quan trọng trong các tuyến thông tin số Sau đây sẽ giới thiệu một sốphương thức mã hóa hay dùng trong các hệ thống thông tin

1.3.5.1 Mã hóa khối trong OFDM

Trong mã hóa khối, dữ liệu đầu vào được chia thành từng khối k bit và đầu ra

là các khối n bit (với n > k) Ở đây, n - k bit thêm vào gọi là các bit kiểm tra được

tính toán từ k bit đầu vào theo một thuật toán nhất định Phương thức mã hóa này

làm tăng băng thông lên R lần Với R = n/k gọi là tỷ số mã, R chính là tốc độ đầu ra

trên tốc độ đầu vào bộ lập mã

Hamming là số bit khác nhau của hai từ mã X và Y, ký hiệu là d(X, Y) Như vậy, từ

mã được đặc trưng bởi bộ tham số [n, k, d].

Ở phía thu, khối n bit được phục hồi lại với một xác suất lỗi nhất định Bộ giải

mã sẽ tìm một từ mã hợp lệ và có khoảng cách Hamming với khối nhận được là nhỏ

nhất Sau đó n - k bit kiểm tra có thể được xóa và kết quả thu được là bản sao của từ

mã k bit đầu vào Nếu d = 2t + 1 thì mã khối có thể sửa sai với một lượng lỗi cho phép Trong OFDM, nếu n phù hợp với số bit trong một symbol thì mỗi symbol có

thể được mã hóa độc lập và không cần nhớ các symbol trước trong quá trình giảimã.

Mã khối có thể làm việc với các ký tự (tổ hợp các bit) hơn là với các bit nhịphân Một phương pháp có hiệu quả và được sử dụng nhiều đó là mã Reed-

vòng là chia từ mã cho đa thức sinh g(x) chọn trước và thêm phần dư vào từ mã ban đầu Như vậy từ mã truyền đi sẽ chia hết cho g(x), và phía thu sẽ sử dụng đặc điểm

này của từ mã để phát hiện lỗi Dưới đây là một số đa thức sinh hay được sử dụng

tương ứng với 8 bit kiểm tra (đa thức đầu) và 16 bit kiểm tra (các đa thức sau):

4 11 16

5 12 16 16 8

x x x x g

x x g

x x g

Mã vòng CRC có ưu điểm là bộ lập mã và giải mã đơn giản dùng thanh ghi

dịch và cộng modul-2 Mã vòng CRC với n bit kiểm tra cho phép phát hiện mọi lỗi

có độ dài nhỏ hơn n và với xác suất 1 - 2 n cho các lỗi khác

1.3.5.2 Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding)

Mã vòng xoắn hay còn gọi là mã chập là một phương pháp mã hóa rất quantrọng trong OFDM Khác với mã khối, mã vòng xoắn không thực hiện mã hóa chotừng khối mà thực hiện mã hóa liên tục với dòng bit Do đó mã vòng xoắn là mộtloại mã liên tục và có nhớ nghĩa là không chỉ phụ thuộc vào từ mã đầu vào mà cònphụ thuộc vào các từ mã trước đó Bộ mã hóa bao gồm một thanh ghi dịch m bit, n

bộ cộng modul-2 và một bộ chuyển mạch để lấy n bit đầu ra từ n bộ cộng modul-2

Nếu trong mỗi chu kỳ chuyển mạch có k bit đầu vào thanh ghi dịch (k < m) thì tốc

độ mã hóa sẽ là k/n, tức là với k bit đầu vào bộ mã hóa vòng xoắn sẽ cho n bit đầu

ra Như vậy mã vòng xoắn được đặc trưng bởi bộ 3 thông số [n, k, m] Cấu trúc của

bộ mã hóa vòng xoắn như sau:

Hình 2.5: Bộ mã hóa vòng xoắn tổng quát.

Mã vòng xoắn có thể được biểu diễn bằng giản đồ trạng thái với số trạng thái

là s = 2 m-1 Ngoài ra cũng có thể biểu diễn mã vòng xoắn dưới dạng đa thức, cây mã

hoặc lưới Dưới đây là giản đồ trạng thái của bộ mã hóa vòng xoắn [3,1,3] tức là

với mỗi bit đầu vào cho 3 bit đầu ra, và độ dài của thanh ghi dịch là 3 bit

Ưu điểm của mã vòng xoắn là tương đối dễ dàng trong việc giải mã Giải mã

vòng xoắn dùng kỹ thuật ước lượng chuỗi, và đặc biệt là thuật toán Viterbi Thuậttoán Viterbi không chỉ cho hiệu quả tính toán rất cao, mà còn có khối lượng số phéptính là cố định cho mỗi symbol Việc giải mã đơn giản cho phép sử dụng giải mãquyết định mềm

Việc giải mã vòng xoắn thực chất là xác định đường có khoảng cách

Hamming nhỏ nhất với từ mã nhận được trong số 2 r đường có thể của sơ đồ cây mã,

với r là số ký hiệu k bit đầu vào (thường thì k = 1) Ứng với bản tin r ký hiệu là 2 r

bộ mã tiền định Khoảng cách Hamming giữa hai chuỗi ký hiệu chính là số ký hiệukhác nhau giữa chúng Vậy số con số 1 của kết quả cộng molul-2 các bit (ký hiệu)tương ứng chính là khoảng cách Hamming Về nguyên tắc ta có thể lần lượt thực

hiên 2 r phép cộng modul-2 của từng bộ mã có thể với chuỗi bit nhận được để tìm ra

bộ mã có khoảng các Hamming nhỏ nhất Bộ mã này có xác suất cao nhất chính làbản tin đã phát Tuy nhiên trong thực tế với một đơn vị bản tin có số ký hiệu rất lớn

thì không thể thực hiện 2 r phép cộng modul-2 trong thời gian có thể chấp nhận

được

Kết hợp giữa mã vòng xoắn và mã hóa khối trong một chuỗi mã hóa là một kỹ

thuật mã hóa rất mạnh Mã hóa khối là mã hóa ngoài, được thực hiện đầu tiên ở máyphát và cuối cùng ở máy thu Mã vòng xoắn là mã hóa trong, rất hiệu quả trong việcgiảm xác suất lỗi đặc biệt là khi sử dụng giải mã quyết định mềm Nếu bộ mã vòng

bị lỗi thì sẽ tạo ra lỗi chùm

1.3.5.2 Mã hóa Turbo trong OFDM

Mã hóa turbo gần đây đã được sử dụng thành công trong rất nhiều hệ thốngthông tin Mã hóa turbo tổng quát bao gồm hai hay nhiều mã chuỗi hoặc mã songsong Một bộ mã turbo điển hình gồm nhiều chuỗi mã vòng xoắn song song nhưhình 2.7 Khi đó các bit thông tin được mã hóa bởi hai hay nhiều bộ mã vòng xoắn

đệ quy, chúng còn được sử dụng để hoán vị chuỗi thông tin Tuy nhiên, bộ giải mãturbo lại có thể dùng các bộ mã vòng xoắn song song hay phân cấp Khả năng sửalỗi cao của mã hóa turbo có được bắt nguồn sự ngẫu nhiên giống như sử dụng cài

xen kết hợp với mã vòng xoắn và bộ giải mã sử dụng hầu hết các thông tin ngoại laikhông tương quan

Việc thiết kế cấu trúc và độ phức tạp của mã hóa turbo bị giới hạn bởi các

thông số hệ thống khác Chúng ta sẽ đề cập đến một vài thông số ảnh hưởng trực

tiếp đến cấu trúc bộ mã Trễ giải mã ảnh hưởng rất lớn tới thiết kế máy thu Bởi vì

cấu trúc bộ giải mã turbo là lặp và bao gồm khối giải cài xen/giải cài xen cho mỗilần lặp lại, nếu trễ quá lớn sẽ ảnh hưởng tới chất lượng toàn bộ hệ thống Một vấn

đề quan trọng khác mà hệ thống yêu cầu là tăng ích mã hóa Khi mà tốc độ lỗi bit

BER của mã hóa turbo được cải thiện rõ rệt thì hệ thống có thể làm việc ở tỷ số tínhiệu trên tạp âm S/N nhỏ Tuy nhiên nhiều chức năng khác của máy thu lại yêu cầumột tỷ số S/N tối thiểu nào đó, điều này cũng cần được tính toán kỹ lưỡng khi thiết

kế hệ thống OFDM

Như đã nói ở trên, mã hóa trong hệ thống OFDM có ưu thế của mã hóa trong

cả miền thời gian và tần số với việc cài xen thích hợp Mã hóa cung cấp thêm sựbảo vệ chống lại Fading chọn lọc thời gian và tần số Sử dụng mã hóa Turbo đangđược quan tâm đặc biệt cho chuẩn truyền hình quảng bá DVB-T

1.3.6 CÁC ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA OFDM

Thông qua việc tìm hiểu các nguyên lý và một số vấn đề kỹ thuật của hệ thốngOFDM như trên, ta có thể tóm tắt những ưu nhược điểm của hệ thống OFDM nhưsau:

1.3.6.1 Ưu điểm

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng

mang con

- 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 thốngsóng mang đơn

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI)bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thểkhôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

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

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

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

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timingoffsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

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

1.3.6.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ

thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợinghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bãohòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PARR lớn hơn thì

sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biếnđổi A/D và từ D/A Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méonhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

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

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG

OFDM là một kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao được sử dụngrất nhiều trong mạng vô tuyến Với những đặc điểm của mình OFDM có thể khắcphục được rất nhiều vấn đề trong mạng vô tuyến Với tính ưu điểm chính là việckhắc phục nhiễu việc sử dụng phổ trong mạng vô tuyến Phương pháp này có ưuđiểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giaothoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng CP Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phépchồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệuứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh confading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.

Sự đồng bộ hóa trong một hệ thống là cần thiết để có được hiệu suất làm việc

tốt nhất cho hệ thống Trong chương này đã trình bày một số phương pháp đồng bộcho hệ thống OFDM Tất cả các sóng mang phụ trong tín hiệu OFDM khi đã đượcđồng bộ về thời gian và tần số với nhau, sẽ cho phép kiểm soát can nhiễu giữa cácsóng mang Việc xét đến các ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng

hệ thống OFDM sẽ giúp chúng ta nhận biết được vai trò của các loại đồng bộ và từ

đó sẽ thực hiện sự đồng bộ có hiệu quả tối ưu nhất

Trong các hệ thống vô tuyến do ảnh hưởng của Fading nên cần tỷ số S/N rất

cao để có thể đạt được xác suất lỗi bit mong muốn Thêm vào đó là nhiễu từ cáckênh radio khác RFI (radio frequency interference) cũng ảnh hưởng rất lớn tới tỷ sốS/N Trong các hệ thống hữu tuyến, thường dùng các bộ điều chế nhiều mức để đạtđược tốc độ bit cao Trong trường hợp này, mã hóa là bắt buộc để đạt được tốc độbit cao nhất có thể trong môi trường có nhiễu xuyên âm, giãn xung và các nhiễu