Tài liệu Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Viết Tam CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH Hà nội- 2008 1 ============================================================== MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................... 6 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM .................................................... 9 1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM ....................................................................... 9 1.1.1. Mở đầu ................................................................................................... 9 1.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang .................................................... 10 1.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ......................... 11 1.1.4. Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT ............. 13 1.1.5. So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang ....................................... 14 1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ....................................................................... 16 1.2.1. Khối trải năng lượng ............................................................................. 17 1.2.2. Bộ mã hoá kênh .................................................................................... 17 1.2.3. Khối chuyển đổi nối tiếp - song song .................................................... 17 1.2.4. Khối ánh xạ tín hiệu .............................................................................. 17 1.2.5. Khối biến đổi IFFT ............................................................................... 18 1.2.6. Khối chuyển đổi song song - nối tiếp .................................................... 18 1.2.7. Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ ....................................................... 19 1.2.8. Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA ...................... 20 1.3. Một số hệ thống ứng dụng OFDM............................................................... 20 1.3.1. Hệ thống phát thanh quảng bá số (DAB) ............................................... 21 1.3.2. Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) ............................................. 22 1.3.3. Wireless LAN ....................................................................................... 23 1.3.4. Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) ...................................................... 24 CHƢƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM .............................................................................................. 26 2.1. Giới thiệu .................................................................................................... 26 2.2. Ước lượng tham số kênh ............................................................................. 26 ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 2 ============================================================== 2.2.1. Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền ...................................... 27 2.2.2. Cân bằng kênh cho hệ thống. ................................................................ 29 2.3. Đồng bộ ...................................................................................................... 30 2.3.1. Đồng bộ thời gian ................................................................................. 30 2.3.2. Đồng bộ tần số ...................................................................................... 33 2.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM ... 34 2.4. Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAR ............................ 36 2.4.1. Định nghĩa ............................................................................................ 36 2.4.2. Thuộc tính thống kê. ............................................................................. 37 2.4.3. Phương pháp giảm PAR ....................................................................... 38 2.5. Kết luận ...................................................................................................... 40 CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM 42 3.1. Giới thiệu .................................................................................................... 42 3.2. Các nguyên nhân gây ra nhiễu pha .............................................................. 42 3.2.1. Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động ...................... 42 3.2.2. Nhiễu pha do sự sai lệnh tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát ........ 44 3.3. Các phương pháp giảm nhiễu ICI ................................................................ 45 3.3.1. Phân tích nhiễu ICI ............................................................................... 45 3.3.2. Phương pháp điều chế tự loại trừ (SC) .................................................. 47 3.3.3. Phương pháp ước lượng giá trị xác suất cực đại (ML) ........................... 50 3.3.4. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) ........................... 52 3.3.5. Kết quả mô phỏng và so sánh ưu, nhược điểm giữa các phương pháp. .. 56 3.4. Phương pháp giảm nhiễu CPE bằng hồi tiếp ............................................... 59 3.4.1. Nhiễu pha bộ tạo dao động ................................................................... 59 3.4.2. Thuật toán giảm nhiễu CPE (CPEC) ..................................................... 61 3.4.3. Kết quả đạt được khi áp dụng phương pháp CPEC ............................... 64 3.5. Kết luận ...................................................................................................... 66 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 70 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 72 ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 3 ============================================================== DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BPSK Binary Phase Sift Keying Khoá chuyển pha nhị phân BFWA Broadband Fixed Wireless Truy nhập vô tuyến băng rộng Access cố định CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng CPE Common Phase Error Lỗi pha chung CPEC Common Phase Error Correction Sửa lỗi pha chung CPESE CPE Symbol Estimate Ước lượng ký hiệu bị lỗi pha chung DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DS Delay Spread Trải trễ DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng FBCF Feedback Correction Factor Hệ số sửa lỗi hồi tiếp FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn HiperLAN2 High Performance Radio Local Chuẩn WLAN của Châu Âu Area Network, WLAN standard cho OFDM với tốc độ dữ liệu (Europe) based on OFDM, with tối đa là 54 Mbps maximum data rate of 54 Mbps MAF Moving Average Filter Bộ lọc trung bình động ML Maximum likelihood Giá trị xác suất cực đại MMDS Multichannel Multipoint Dịch vụ phân tán đa điểm và đa Distribution Service kênh Maximum Mean Square error Ước lượng cực đại trung bình MMSE ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 4 ============================================================== Estimation ICI lỗi bình phương Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM OFDM, with a maximum data với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 rate of 54 Mbps. Mbps IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS, with maximum data rate DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa of 11 Mbps là 11 Mbps IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần Division Multiplex số trực giao SC Self-cancellation Tự loại trừ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu PAR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất tương đối cực đại QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Modualtion WiMax Khả năng tương tác toàn cầu Microwave Access cho đa truy nhập vi ba Wide Sense Stationary Quá trình dừng theo nghĩa rộng Uncorrelated Scattering WSSUS Worldwide Interoperability for và tán xạ không tương quan ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 5 ============================================================== DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ ............................................................. 34 Bảng 3.1. So sánh hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp giảm nhiễu ICI ........ 59 ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 6 ============================================================== DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang ............................... 10 Hình 1.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM ............................. 11 Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM .............................................................. 12 Hình 1.4. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang con ........................................................................................................................ 12 Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM ................................................................................ 13 Hình 1.6. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT ................................................ 14 Hình 1.7. Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình ............................................. 16 Hình 1.8. Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ................................................... 19 Hình 1.9. Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB ....................................................... 21 Hình 1.10. Sơ đồ khối máy thu DAB ..................................................................... 22 Hình 1.11. Mô hình truyền thông mạng WiMax .................................................... 24 Hình 2.1. Kỹ thuật nội suy tuyến tính .................................................................... 28 Hình 2.2. Kỹ thuật nội suy hàm Si và nội suy hàm đa thức .................................... 28 Hình 2.3. Bộ lọc Wiener ........................................................................................ 29 Hình 2.4. Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu .............................................................. 31 Hình 2.5. Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong CP ............................................ 31 Hình 2.6. Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu ích .......................... 31 Hình 2.7. Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau ..................... 35 Hình 2.8. Một số không gian tín hiệu ..................................................................... 36 Hình 2.9. So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng .................. 38 Hình 2.10. Phương pháp dùng các dãy phát từng phần .......................................... 40 Hình 3.1. Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động........................ 43 Hình 3.2. Nhiễu ICI sinh ra do sự không ổn định của các bộ tạo dao động............. 43 Hình 3.3. Mối liên hệ giữa nhiễu ICI và số lượng kênh con trong hệ thống OFDM .... 44 Hình 3.4. Nhiễu ICI sinh ra do sai lệch tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát.... 44 Hình 3.5. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ................................................................... 45 Hình 3.6. Mô hình hoá độ dịch tần ở phía thu ........................................................ 45 ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 7 ============================================================== Hình 3.7. Các hệ số nhiễu ICI của một hệ thống OFDM có N=16 ......................... 46 Hình 3.8. Thực hiện điều chế một ký hiệu dữ liệu trên hai sóng mang con............. 48 Hình 3.9. So sánh giữa các hệ số |S”(l-k)|, |S’(l-k)| và |S(l-k)| với N=64, =0,4 ...... 48 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng CIR khi sử dụng phương pháp điều chế SC ............ 50 Hình 3.11. Cấu trúc bộ phát ML ............................................................................ 50 Hình 3.12. Cấu trúc bộ thu ML .............................................................................. 51 Hình 3.13. Kết quả mô phỏng về độ dịch tần bằng phương ước lượng ML ............ 52 Hình 3.14. Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB .................. 56 Hình 3.15. PSD của tín hiệu nhiễu pha trong bộ tạo dao động ............................... 60 Hình 3.16. Thuật toán hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC) ....................................... 63 Hình 3.17. Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz. ...................................... 65 Hình 3.18. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz .. 65 Hình 3.19. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz 66 ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 8 ============================================================== MỞ ĐẦU Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh quảng bá số, truyền hình số, hệ thống Wireless LAN, HiperLAN2, WiMax và đang được lựa chọn nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, kỹ thuật OFDM cũng cần phải giải quyết một số điểm cơ bản như: vấn đề ước lượng các tham số kênh truyền, vấn đề tỷ số công suất tương đối cực đại lớn, vấn đề đồng bộ và đặc biệt là vấn đề nhạy cảm với nhiễu pha…. Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, Tôi đã chọn thực hiện luận văn “Nghiên cứu các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM”. Luận văn bao gồm 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM Chương này trình bày những đặc điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM, phân tích nguyên lý hoạt động của một hệ thống OFDM tiêu chuẩn và nêu một số hệ thống ứng dụng OFDM điển hình. Chƣơng 2: Các vấn đề kỹ thuật chủ yếu nhằm giảm nhƣợc điểm của hệ thống OFDM Chương này phân tích các nguyên nhân cơ bản làm suy giảm chất lượng hệ thống OFDM và các phương pháp kỹ thuật tương ứng để làm giảm các nhược điểm này. Ba vấn đề kỹ thuật chủ yếu được trình bày trong chương này bao gồm: vấn đề ước lượng tham số kênh, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm tỷ số công suất tương đối cực đại. Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM Đây là chương quan trọng nhất của Luận văn, sẽ phân tích chi tiết các nguyên nhân gây ra nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, các phương pháp giảm các loại nhiễu pha tương ứng và so sánh đánh giá hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp thông qua mô phỏng bằng Matlab. Qua kết quả phân tích tại chương này sẽ cho thấy được mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số cơ bản của một hệ thống OFDM như: hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của hệ thống, chất lượng dịch vụ, giá thành thiết bị … ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 9 ============================================================== CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM 1.1.1. Mở đầu Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Để phục vụ cho “sau 3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng của IMT-2000. Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng chuyển động chậm. Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin. Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên. Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth…. đồng thời hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao. Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới. Trong số các phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT. OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba và thứ tư. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật điều chế đa sóng mang là chia luồng bít cần truyền thành nhiều luồng bít nhỏ để truyền trên nhiều kênh truyền con khác nhau. Tốc độ dữ liệu trên các kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ dữ liệu tổng, điều này giúp tránh nhiễu xuyên giữa các ký tự (ISI). Băng thông của các kênh con nhỏ nên đáp ứng của kênh truyền có thể coi như không phụ thuộc tần số và làm giảm độ phức tạp phần khôi phục và cân bằng kênh truyền. OFDM, một phương hướng mở rộng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau. Bên cạnh những ưu điểm ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 10 ============================================================== được kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều. 1.1.2. Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia thành nhiều băng tần con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau. Hình 1.1 minh hoạ nguyên lý của phương pháp này [3]. fs Mật độ phổ năng lượng f-L f0 f+L Tần số B Hình 1.1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm N kênh con với bề rộng phổ của mỗi kênh con là: fs  B N (1.1) Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang: Ts ( MC )  1 ( SC )  Ts N fs (1.2) Kết quả này dẫn tới tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang. RMC   max TMC  RSC N (1.3) Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phâ tập đa đường. ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 11 ============================================================== Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh con được phân cách nhau bởi một khoảng bảo vệ nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần. Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã ra đời. 1.1.3. Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM OFDM là một trường hợp đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM, trong đó các sóng mang con được lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau. Nhờ sự trực giao này mà phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau, điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn hệ thống tăng lên rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.2 và 1.3 [3]. fs Mật độ phổ năng lượng f-L f0 f+L Tần số B Hình 1.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM Hình 1.3. minh hoạ nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hàm sin(x)/x. Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của các kênh con còn lại. Điều này làm nguyên lý trực giao thoã mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chống lấn lên nhau. Hình 1.3 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần của hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với hệ thống FDM truyền thống [4]. ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 12 ============================================================== Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM Phổ tín hiệu tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 1.4. Hình 1.4. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang con ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 13 ============================================================== 1.1.4. Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT [3] ai,L {al} dk,L Xung cơ sở Bộ Điều e jLS t dk,n biến chế ở Xung cơ sở đổi ai,n băng e jnS t nối tần cơ tiếp/ sở song dk,-L song ai,-L Xung cơ sở Chèn  m’(t) khoả ng m(t) bảo vệ e  jLS t Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM Xét bộ điều chế tín hiệu OFDM như hình 1.5. Giã thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành NC kênh con với chỉ số của các kênh con là n. N  {-L, -L+1, …, -1, 0, 1, …, L-1, L} Do vậy: NFFT = 2L+1 (1.4) Đầu vào của bộ điều chế là dòng dữ liệu {al}được chia thành NFFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ biến đổi nối tiếp/ song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n}lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {dk,n}, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với NC bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song saong, k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với NC mẫu tín hiệu phức. Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, … Các mẫu tín hiệu {dk,n} lại được nhân với xung cơ sở g(t) với mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang. Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông. Sau khi nhân với xung cơ sở, tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức e  jLS t . Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau, tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại thông qua bộ tổng và thu được tín hiệu như sau: m' k (t )  L d n L k ,n s ' (t  kT )e jn S t (1.5) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k. Tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là: ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 14 ============================================================== m' (t )    m' k (t )  k    L  d k  n   L k ,n s' (t  kT )e jn S t (1.6) Ở đây tín hiệu m’(t) là tín hiệu m’k(t) với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô cùng. Tín hiệu m’k(t) khi được chuyển sang tín hiệu số với tần số lẫy mẫu: f  T 1 1   S B N FFT f S N FFT (1.7) Trong đó B là toàn bộ độ rộng băng tần của hệ thống. Ở thời điểm lấy mẫu t=kT+lf, S’(t-kT) = S0, do vậy phương trình (1.5) được viết lại như sau: m' k (kTS  lf )  S 0 L d n L khai e e jn 2f S l f S N FF T e m' k (kTS  lf )  S 0 e jn S ( kTS  lf )  S 0 L d n L k ,n e jn S kTS e jn S lf (1.8) 1  2k , kết quả là e jnS kTS =1, tương tự như vậy có thể triển fS Do  S kTS  2f S k jn S lf k ,n j 2 nl N FF T L d n L k ,n e , phương trình (1.8) được viết lại như sau: j 2 nl N FFT (1.9) Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở phương trình (1.9) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Trong trường hợp NFFT là bội số của 2 thì phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT được thể hiện như hình 1.6. ai,L {al} Bộ biến đổi ai,n nối tiếp/ song song ai,-L dk,L Mã hoá dk,n dk,-L IFFT Bộ biến Chèn Bộ m’(lf) khoả m(lf) biến đổi ng song đổi số bảo song/ tương vệ nối tự tiếp m(t) Hình 1.6. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 1.1.5. So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang [6] Hệ thống OFDM có hiệu quả giảm ISI hơn hệ thống đơn sóng mang sử dụng bộ cân bằng miền thời gian, đặc biệt cho các kênh với trễ lớn, thuật toán FFT thực ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 15 ============================================================== hiện trong OFDM làm độ phức tạp tính toán giảm nhiều so với việc cân bằng miền thời gian trong hệ thống đơn sóng mang. Tuy nhiên, với kích thước FFT lớn, một hệ thống đơn sóng mang có cân bằng miền tần số sẽ có ít phức tạp hơn cân bằng miền thời gian. Về khuếch đại công suất, nếu dãy số liệu được điều chế sử dụng PSK, tín hiệu ra của hệ thống đơn sóng mang có biến đổi đường bao ít. Với hệ thống đa sóng mang, như OFDM, biến đổi đường bao lớn nên yêu cầu một bộ khuếch đại công suất hồi tiếp lớn, làm cho khuếch đại công suất không hiệu quả. Do đó, bộ khuếch đại cho hệ thống đơn sóng mang có hiệu quả công suất cao hơn so với ở hệ thống OFDM. Thứ hai là tác động của mã hoá kênh đến hiệu năng hệ thống. Hiệu năng của một hệ thống truyền thông thường được đo bằng BER với SNR xác định. Xét trường hợp kênh fading lựa chọn tần số, với hệ thống đơn sóng mang sử dụng phương thức cân bằng miền tần số kênh được cân bằng trong miền tần số, tín hiệu được biến đổi về miền thời gian trước khi quyết định các bit. Điều này nghĩa là năng lượng của một bit riêng biệt được phân bố trên toàn bộ phổ tần số. Còn đối với một hệ thống OFDM, năng lượng của một bit riêng biệt chỉ chiếm một phần nhỏ của phổ tần số vì xử lý quyết định được thực hiện trong miền tần số. Kết quả là với một rãnh V sâu tại một dải tần chính trên độ rộng băng kênh làm giảm năng lượng bit nhỏ đối với một hệ thống đơn sóng mang, nhưng với OFDM nó có thể ảnh hưởng lớn năng lượng bit tại một vài sóng mang con làm cho các bit trên các sóng mang con này là không tin cậy. Trong thực tế, BER cho hệ thống đơn sóng mang bị quyết định bởi SNR trung bình trên toàn bộ độ rộng băng tần của kênh, trong khi với OFDM nó bị quyết định bởi các sóng mang con có SNR nhỏ nhất. Để giảm BER của OFDM gây bởi fading lựa chọn tần số, có thể lập về 0 biên độ các sóng mang con (gọi là sóng mang con ảo) mà tại các rãnh V sâu trước khi thực hiện IFFT ở phía phát. Tuy nhiên nếu kênh phân tán thời gian, các rãnh V sâu sẽ xuất hiện ngẫu nhiên trên độ rộng băng kênh. Trường hợp này, mã hoá kênh với khả năng hiệu chỉnh lỗi là cần thiết để làm cho các bit trên các rãnh V sâu đáng tin cậy hơn và giảm BER. Ưu điểm ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 16 ============================================================== - Hiệu quả sử dụng phổ tần cao do các sóng mang con chồng lên nhau - Do chia nhỏ thành các băng hẹp nên các sóng mang con chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng, dễ cân bằng. Một trong lý do chính sử dụng OFDM là tăng khả năng chống nhiễu băng hẹp và fading lựa chọn tần số. - Loại bỏ được nhiễu xen ký tự do sử dụng tiền tố vòng CP. - Cân bằng kênh đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng thích nghi sử dụng trong các hệ thống đơn sóng mang. Nhược điểm - Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiện tượng nhiễu pha khi mất tính trực giao giữa các sóng mang con gây ra do tính không ổn định của các bộ tạo dao động. Việc nâng cao chất lượng các bộ tạo dao động có thể làm tăng giá thành của thiết bị tại máy phát cũng như thiết bị đầu cuối của thuê bao [15]. - Tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng bởi tạp âm biên độ với dải động lớn, do đó đòi hỏi bộ khuếch đại công suất RF có mức đỉnh cao so với tỷ số công suất trung bình. - Sử dụng tiền tố vòng CP tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân thành phần CP không mang thông tin có ích. 1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM [4] Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình được cho như hình 1.7. Hình 1.7. Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 17 ============================================================== 1.2.1. Khối trải năng lƣợng Dòng dữ liệu đầu vào ở phía phát bao gồm 1 chuỗi các bit 0, 1 nhưng có trường hợp nó sẽ gồm 1 dãy liên tục các bit 0 hoặc bit 1. Vì thế năng lượng của chúng sẽ bị tập trung và sẽ không tốt cho quá trình truyền dẫn. Để khắc phục vấn đề này thì ở phía phát dòng dữ liệu đầu vào được nhân XOR với 1 tín hiệu giả ngẫu nhiên đã được xác định trước. Tín hiệu giả ngẫu nhiên PN này giống nhau cho cả phía phát và phía thu. Phía thu, tín hiệu sẽ được xử lý tương tự như phía phát nhằm thu được tín hiệu gốc. 1.2.2. Bộ mã hoá kênh Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, tín hiệu truyền đi sẽ chịu tác động của nhiễu, phađinh. Những tác nhân này làm thay đổi thông tin được truyền đi. Quá trình mã hoá kênh được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này. Việc mã hoá kênh là quá trình thêm các dư thừa một cách có chọn lọc vào dữ liệu truyền đị nhằm tránh lỗi. Khi thêm các dư thừa vào thông tin gốc, dải thông cần thiết cho nguồn dữ liệu cố định sẽ tăng lên. Tuy nó làm giảm hiệu suất dải thông của đường truyền khi SNR cao nhưng đổi lại sẽ có hệ số BER tốt khi SNR thấp. Những mã có khả năng tìm và sửa lỗi được gọi là mã sửa lỗi: có 2 loại là mã khối và mã chập. 1.2.3. Khối chuyển đổi nối tiếp - song song Phía phát, luồng dữ liệu cần truyền đi là dòng bit nối tiếp với tốc độ cao sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con song song với nhau, tốc độ truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bit tổng, phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng. Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của hệ điều chế OFDM. Chính điều này đã tạo nên hiệu suất chống ISI rất tốt cho hệ thống. 1.2.4. Khối ánh xạ tín hiệu Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM. Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang SSB thông thường trên các nhánh dữ liệu con. Khi đó các nhóm n bit (2n = M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép 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-QAM. Thực chất của quá trình này là ánh xạ cụm n bit dữ liệu đầu vào thành một số phức trên giản đồ chòm sao M-QAM. Như vậy, mỗi ký hiệu QAM sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn bằng các vectơ phức I-Q. Tại nơi thu, vectơ I-Q được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu, quá trình đó gọi là giải điều ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 18 ============================================================== chế OFDM. Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và do đặc trưng của kênh truyền không hoàn hảo, khi đó trên mặt phẳng I-Q các điểm chòm sao sẽ bị nhoè đi. Bộ thu khi đó phải ước lượng gần đúng nhất vectơ truyền đi. Lỗi sẽ xảy ra khi nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm cạnh nhau trong mặt phẳng I-Q, khi đó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định. OFDM cho phép trải dữ liệu để truyền đi trên cả miền thời gian và miền tần số, sau khi đã sử dụng mã hoá kênh để bảo vệ dữ liệu. Quá trình ánh xạ dữ liệu thành các ký hiệu thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, theo giản đồ chòm sao M-QAM. Tuỳ theo dạng điều chế được lựa chọn, tại một chu kỳ ký hiệu cho mỗi sóng mang sẽ có n bit thông tin được truyền đi. Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau. Thường thì n càng bé càng có khả năng chiu nhiễu lớn. 1.2.5. Khối biến đổi IFFT Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con là các số phức tương ứng với các điểm trên giản đồ chòm sao M-QAM sau đó đưa đến bộ biến đổi IFFT. Nếu bộ IFFT có N đầu vào thì N được gọi là kích thước của bộ biến đổi IFFT. Thông thường, trên thực tế số sóng mang con thực sự được sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT thực tế, trong số N đầu vào của bộ IFFT thì có một số đầu vào gọi là đầu vào ảo được sử dụng cho mục đích khác nhau như tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hay chèn tiền tố lặp, ... 1.2.6. Khối chuyển đổi song song - nối tiếp Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp để có thể được truyền đi trên đường truyền. Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau. Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là To và N là kích cỡ của bộ biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu (hay còn được gọi là: chu kỳ của ký hiệu OFDM) là T với: T = NT0 Mỗi ký hiệu OFDM trên được tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu S(nT) thu được sau khi biến đổi IFFT. Các mẫu này quy định những tính chất đặc trưng cho mỗi ký hiệu OFDM và trong quá trình truyền đi tập các ký hiệu OFDM được tạo nên từ 1 nhóm N mẫu này thường được đánh dấu để phân biệt được với nhau ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM 19 ============================================================== nhờ dùng phương pháp chèn khoảng thời gian vào giữa các ký hiệu OFDM. Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều chế và việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu. 1.2.7. Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi ta thêm vào khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là phađinh nhiều đường. Như vậy ta có thể chọn khoảng bảo vệ là các khoảng trống. Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống vào thì mặc dù ta tránh được hiện tượng ISI song ta lại không thể tránh được hiện tượng xuyên nhiễu giữa các song mang ICI xảy ra. Bởi vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh phađinh thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số sóng mang con thành phần bởi vậy tính trực giao trong các sóng mang con trong một ký hiệu OFDM không còn nữa, làm cho ICI tăng lên sau khi các ký hiệu được giải điều chế tại nơi thu. Như vậy để tránh được cả ISI và ICI thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt và kỹ thuật này gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP. Tên gọi tiền tố lặp xuất phát từ thao tác đặc biệt để tạo ra nó: là phiên bản sao chép của đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM. Bản sao này sau đó được ghép vào đầu của mỗi ký hiệu OFDM. Hình 1.8 minh hoạ kỹ thuật chèn khoảng bảo vệ CP. Hình 1.8. Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ ============================================================== Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM