kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T 3.doc

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chương.

Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ thống OFDM, đã tìm hiểu về các đặc tính của kênh vô tuyến và nhận thấy rằng các hệ thống OFDM có thể đáp ứng được với ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, fading phẳng, fading lựa chọn tần số bằng cách chèn thêm vào khoảng thời bảo vệ và truyền dẫn song song các sóng mang con tốc độ symbol thấp Bên cạnh những thuận lợi trên, các hệ thống OFDM cũng có các bất lợi Ba trở ngại chính của hệ thống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối cùng là vấn đề tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn

Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điều chế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu Ở phía thu, thông thường thì bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã đã biết thời khoảng ký tự Bởi vì quá trình điều chế và xuyên nhiểu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu(ở bên ngoài) còn phải giải quyết sự đồng bộ hoá(ở bên trong)

Như đã trình bày trong chương 1, đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số

do làm mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu các sóng mang nhánh phải có tính trực giao Khi

mà đồng bộ tần số lấy mẩu biến đổi dưới 50 xung/phút(ppm) sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Các khoảng dịch tần số và thời gian ký tự có thể gây ra nhiễu ICI, ISI và phải tìm cách giảm các nhiễu này

Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM đó là: Các lỗi gây nên sự mất đồng bộ; vấn đề nhận biết khung; ước lượng và sửa chửa khoảng dịch tần số; điều chỉnh sai số lấy mẫu Chúng

ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: Đồng bộ ký tự, đồng bộ khối, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Cuối cùng, chúng ta xét các

kĩ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM.

Như đã trình bày ở trên, khi giả sử rằng các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát

và phía thu là chính xác thì hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ khoảng dịch tần số sóng mang và thời khoảng ký tự Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời ký tự gây ra nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ mạnh hơn nhiễu ISI nên độ chính xác tần số sóng mang yêu cầu nghiêm ngặt hơn thời khoảng ký tự Trong hệ thống OFDM, quá trình đồng bộ gồm có ba bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng tần(pha), bám đuổi pha Như mô ta ở hình 3.1

Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền thời gian Để ước lượng khoảng dịch tần số, sử dụng mối tương quan trong miền thời gian của các ký tự pilot kề nhau ước lượng phần thực của khoảng dịch tần

số, còn phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền tần số Sự dịch pha do lỗi ước lượng khoảng dịch tần số cũng như pha được tối ưu bằng cách dùng vòng khoá pha số(DPLL)

3.2.1 Nhận biết khung.

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các ký tự OFDM Đa số các sơ đồ

định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định Những sơ đồ như vậy không thể cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp Để nhận biết khung chúng ta sử dụng chuỗi PN

Nhận

biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

FFT Bám đuổi

mã

Ước lượng kênh Giải mã

Hình 3.1: Các quá trình đồng bộ trong OFDM

miền thời gian được mã hoá vi phân Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác Chuỗi PN được phát như là một phần của phần đầu gói OFDM Tại phía thu, các mẫu tính hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các ký tự OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan

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

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













1

0

*( 1) ( ) )

( )

N i

i d i g y i g y g

Ở đây y(i) là tín hiệu thu, d(i) là chuỗi PN, Nc là độ dài chuỗi PN; g có thể được xem như một khoảng dịch cửa sổ trượt, M(g) là Metric định thời phức

Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả tính toán tạm thời là các giá trị |M(g)| Sự nhận biết khung thành công khi: 1-phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và 2- tỷ lệ của các giá trị 1-phần tử trung tâm

và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định

3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số.

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

hệ thống đơn sống mang Để BER tăng không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số

phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang, điều này sẽ không khả thi khi

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

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

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

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

f c T A  (3.2)

Ở đây A phần nguyên và   ( 1 / 2 ; 1 / 2 ) phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tính hiệu cách nhau một khoảng thời gian

T Phần nguyên được tìm thông qua chuỗi PN được mã hoá vi phân thông qua các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự dẫn đường

3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân.

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

) ( ) T 2 exp(j2 ) ( )

N

l l

s l

(3.3)

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

N

l 2 exp(j2 )

( )

(

1 )

0











N l

k C k U N l

Trong đó k là chỉ số sóng mang nhánh, u(k) là dữ liệu được điều chế trên sóng mang nhánh, c(k) là đáp ứng tần số sóng mang nhánh

Tính tương quan giữa các mẫu cách nhau một khoảng T(nghĩa là xét N mẫu)

ta có:











1

0

*( ) )

(

N l

N l y l y

J (3.5)

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

^ arg *

2

1

J



Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu ở trong (3.5), J có thể được khai triển

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

    

^

(3.7) Khi đó độ lệch chuẩn của lỗi được tính như sau:

2

1 ]

[ 2



  (3.8)

Từ (3.7) có thể tính xấp xỉ để giảm SNR do khoảng dịch tần số trong hệ thống OFDM kết hợp kết quả đó với (3.8) và giả thiết ước lượng phần nguyên luôn đúng,

sự giảm SNR sau ước lượng và bù khoảng dịch tần số được biểu diễn như sau:

10 ln 12

10 )

(  (3.9) Điều này không đáng kể trong hệ thống có giá trị N lớn

3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên.

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

là phần thập phân đầu tiên được bù:

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

' '

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

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

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

N e

l

l A j





.Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu , một số ký hiệu FFT mới có thể được tạo ra

bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, nghĩa là:

2 1 2

1 y 2s z z y

Để thuận tiện, trong phần sau chúng ta dùng y/2 và nhiễu cũng tỉ lệ theo đó Khi đó FFT cho y/2 được biểu diễn:

























1 0

2 2

) ( )

( 1

)

l

N l n j N

l A j

e l z e

l s N n

U(k)C(k)kmod(nA.N) Z(n)

(3.10)

Một chuỗi PN được mã hoá vi phân qua các sóng mang nhánh lân cận để ước lượng xoay vòng phần nguyên A Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa kết quả với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất xác định A

3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM.

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật

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

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

3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM.

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

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

số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang[1]

3.3.1.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu.

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

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

3.3.1.2 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 tần số[1]

 Lỗi tần số

Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)

 Ước lượng tần số

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

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

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

3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM.

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

Lỗi thời gian

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

sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên

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

Nhiễu pha sóng mang

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

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

3.3.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot.

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

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

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

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

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

là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác trong bước này là không cao, song nó sẽ làm đơn giãn thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo Để thực hiện đồng bộ thô, người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu và bản sao của tín hiệu phát(được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan Tần suất ước lượng các điểm phải gấp bốn lần tốc độ tính hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan

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

do lỗi thời gian gây nên Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng Các ký tự pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý Thông thường ký tự pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM như hình 3.2 :

3.3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP.

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

thu cách nhau N bước:

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

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

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.

PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 OFDM_N Trailer

a- Kênh fading phẳng tần số

PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 OFDM_N Trailer

khối OFDM

Ký tự pilot

Chèn dải bảo vệ/tiền tố lặp

b_ Kênh fading chọn lọc tần số

Hình 3.2: Pilot trong gói OFDM