Đề tài Kỹ thuật điều chế đa sóng mang nguyên lý & ứng dụng của OFDM

ng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phương thức điều chế PSK. Biên độ của sóng mang là không đổi, nhưng pha thay đổi theo symbol. Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột của sóng mang. Kết quả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng lượng giữa các symbol trong miền tần số. Hình 29 Dạng sóng trong miền thời gian của sóng mang con Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM chưa qua lọc. Ta thấy với trường hợp tín hiệu gồm 1536 sóng mang con có sự suy giảm của các búp sóng phụ nhanh hơn trường hợp 52 sóng mang con. Tuy nhiên năng lượng của các búp sóng phụ trong trường hợp này vẫn rất còn đáng kể ở khá xa khối phổ của các búp sóng chính. Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Có 2 kỹ thuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụ tới mức có thể chấp nhận được là: Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosin). Hình 210 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con Hình 211 Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con 2.4.1 Lọc thông dải Khi tín hiệu số được chuyển sang dạng tương tự để truyền dẫn thì bộ lọc được dùng để tránh “tạp” (aliasing). Tạp là hiện tượng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệu tương tự được số hoá. Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ được các búp sóng phụ của tín hiệu OFDM. Lượng búp sóng phụ được lọc bỏ phụ thuộc vào độ nhọn của bộ lọc được sử dụng. Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác, độ dốc đặc tuyến lọc cũng như tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tương tự. Do đó trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn dải tín hiệu. . Hình 2-12 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua bộ lọc. Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải. ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phương pháp cửa sổ để tổng hợp. Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhưng đồng nghĩa với nó là chi phí tính toán tăng lên, và làm giảm SNR hiệu dụng của hệ thống. Hơn nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng lượng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các sóng mang con này và gây ra ICI. Như trên hình 2-13 ta có thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lượng ở búp sóng chính. Hình 212 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc Hình 213 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3 Các bộ lọc có đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM được đóng gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Nhưng cũng chính nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, và những ảnh hưởng này cần phải được lưu ý tới khi thiết kế hệ thống. 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ các búp sóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 trước khi chuyển sang symbol khác. Điều này tạo ra một sự chuyển đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm được năng lượng của các búp sóng phụ. Hình dưới đây là cấu trúc của một OFDM symbol được chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised cosine). Hình 214 Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên nhau mà chỉ gây ra một lượng ISI không đáng kể, máy thu không nhận biết được. Ưu điểm của việc chồng phổ này cho phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăng thêm yêu cầu về dải thông cho symbol.. Chương 3 Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI (InterSymbol Interference, InterCarier Interference) và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp. Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin. Hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của pha-đinh lựa chọn tần số và thực hiện điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT). Ngoài ra, hệ thống OFDM còn có một số ưu điểm trên các khía cạnh cụ thể khác như giảm độ phức tạp của máy thu ... Như vậy, OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải được giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: - Ước lượng tham số kênh. - Đồng bộ sóng mang. - Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại. Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu của hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hoá tín hiệu OFDM. 3.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng tham số kênh bao gồm hàm truyền đạt của các kênh nhánh và thời gian để thực hiện giải điều chế liên kết bên thu. Để ước lượng tham số kênh, có thể sử dụng tín hiệu dẫn đường (pilot) hoặc không sử dụng tín hiệu dẫn đường . Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng tín hiệu pilot (Pilot-Signal Assisted Modulation- PSAM). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thuỷ sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Phương pháp sử dụng pilot ban đầu được sử dụng cho các hệ thống có áp dụng kỹ thuật điều chế-mã hoá (Trellis Coded-Modulation - TCM). Sau đó, phương pháp này được phát triển để áp dụng cho các kỹ thuật khác như QAM, PSK không mã hoá, ... Kết luận quan trọng được rút ra từ các nghiên cứu này là việc thực hiện PSAM để ước lượng kênh sẽ giúp hệ thống đạt được chỉ tiêu tốt hơn so với nếu không sử dụng ước lượng kênh. Một kết luận khác là nếu thiết kế bộ ước lượng kênh để sử dụng cho trường hợp độ dịch tần Doppler lớn nhất, bộ ước lượng này sẽ hoạt động tốt với độ dịch tần Doppler thực tế nhỏ hơn giá trị lớn nhất này. Người ta chứng minh được yêu cầu về khoảng cách thời gian giữa hai ký tự pilot là NT £ (3.1) Với: fD, Ts tương ứng là độ dịch tần Doppler và thời khoảng một ký tự OFDM. Sử dụng PSAM cho hệ thống thông tin đa sóng mang được Hoeher đưa ra lần đầu vào năm 1991 .Có hai vấn đề chính cần phải thực hiện khi sử dụng PSAM trong OFDM. Vấn đề thứ nhất liên quan đến sự lựa chọn tín hiệu được dùng làm pilot. Vấn đề thứ hai là thiết kế bộ ước lượng kênh thích hợp. - Lựa chọn tín hiệu pilot nhằm đảm bảo yêu cầu chống được ảnh hưởng của nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. - Thiết kế bộ ước lượng kênh nhằm mục đích giảm độ phức tạp thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm, độ phức tạp của thiết bị phải giảm) và yêu cầu về chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Vì vậy, thiết kế phải đưa ra các giải pháp để dung hoà hai yêu cầu trên. Giải pháp thường được sử dụng gần đây là sử dụng hai bộ lọc một chiều (1-D). Bộ lọc thứ nhất thực hiện theo tần số và bộ lọc thứ hai thực hiện theo thời gian .Với phương pháp này, đáp ứng xung sẽ bị hạn chế bởi các thành phần tương ứng với tích ngoài của hai bộ lọc nên tính tối ưu sẽ giảm xuống. Bù lại, độ phức tạp của việc thực hiện giảm đi đáng kể. Giải pháp thứ hai là sử dụng các phép biến đổi sao cho năng lượng chỉ tập trung tại một vài vị trí nên độ phức tạp của thiết bị ước lượng kênh cũng giảm đi. Ngoài ra cũng có thể sử dụng kết hợp các giải pháp với nhau 3.2 Đồng bộ 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. Trong hệ thống OFDM, người ta thường xét đến ba loại đồng bộ: đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ tần số lấy mẫu. Phần này sẽ lần lượt điểm qua các loại lỗi đồng bộ tương ứng. 3.2.1 Đồng bộ ký tự Nhiệm vụ của việc đồng bộ ký tự là phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Đây là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Hiện nay, với việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix), thực hiện đồng bộ ký tự đã trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. 3.2.1.1 Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu của ký tự thu được. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong thời khoảng của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì nó sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trong trường hợp ngược lại, nếu lỗi thời gian lớn hơn thời khoảng của CP, nhiễu ISI sẽ xảy ra. 3.2.1.2 Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu. Theo đó, nhiễu pha sóng mang được coi như một quá trình Wiener. 3.2.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Chênh lệch về nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI. Có hai giải pháp được đưa ra để xử lý hiện tượng này. Giải pháp thứ nhất sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp (voltage-controlled oscillator) còn giải pháp kia thực hiện xử lý số để đạt được đồng bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu. 3.2.3 Đồng bộ tần số sóng mang Đồng bộ tần số sóng mang là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang. Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, các chỉ tiêu chất lượng cũng như các ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin một sóng mang truyền thống bị giảm đi đáng kể. Trong đồng bộ tần số sóng mang, người ta quan tâm đến hai vấn đề chính: lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. 3.2.3.1 Lỗi tần số Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số gây ra bởi sai khác giữa 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 sinc) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Để đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ thống, độ bất ổn trong đồng bộ tần số sóng mang của hệ thống phải thấp hơn 2%. 3.2.3.2 Thực hiện ước lượng tần số Cũng giống như trong đồng bộ thời gian, có thể chia các giải pháp để ước lượng tần số thành hai loại: dựa trên sử dụng tín hiệu pilot và sử dụng CP. - Trong thuật toán đồng bộ tần số dựa vào pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu này. Tín hiệu pilot thường được chọn là các tín hiệu PN hoặc tín hiệu chirp .Bằng cách sử dụng một thuật toán thích hợp, bên thu sẽ xác định được giá trị xoay pha của tín hiệu gây ra bởi sai lệch tần số. Nếu độ sai lệch tần số nhỏ hơn một nửa khoảng cách tần số giữa hai sóng mang nhánh cạnh nhau, ánh xạ giữa giá trị xoay pha và độ chênh lệch tần số là ánh xạ 1-1 nên có thể xác định duy nhất độ chênh lệch tần số. -Với đồng bộ tần số sử dụng CP, có thể thực hiện thuật toán theo một số hướng như sau: + Tạo ra hàm có đỉnh khi chênh lệch tần số bằng 0. + Sử dụng bộ ước lượng ML (Maximun Likehood). Ngoài ra, để tăng thêm độ chính xác của bộ ước lượng tần số, người ta còn có thể sử dụng thêm các bộ khoá pha (Phase Lock Loop - PLL). Một vấn đề cần chú ý là quan hệ giữa đồng bộ tần số và đồng bộ thời gian. 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 lượng sóng mang sẽ thu nhỏ thời khoảng ký tự trên mỗi sóng mang làm độ nhạy với sai lỗi thời gian của hệ thống tăng lên, yêu cầu về đồng bộ thời gian phải chặt chẽ hơn. Vì vây, cần phải nghiên cứu để dung hoà hai yêu cầu về đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số. * Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của OFDM Người ta thường đánh giá ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR. Các kết quả trong bảng được minh hoạ trên Hình 3.1. Dựa vào bảng 3.1 và đồ thị, có thể đưa ra một số nhận xét sau: - Đồng bộ tần số sóng mang giữa máy thu và máy phát ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (cả kênh fading lẫn kênh AWGN). Suy hao SNR [dB] tỉ lệ thuận với bình phương độ sai lệch tần số sóng mang. - Độ rộng của nhiễu pha sóng mang tỉ lệ thuận với số lượng sóng mang. Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóng mang. - Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương của chỉ số sóng mang và bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối. * Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho nó không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng thời gian của CP Loại/lượng lỗi đồng bộ Độ suy giảm SNR (dB) Lỗi tần số sóng mang e 1, kênh AWGN D »  Lỗi tần số sóng mang e 1, kênh fading D » Nhiễu pha sóng mang, độ rộng b 2 D » Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu Dfs 3 tại sóng mang nhánh thứ n D » Lỗi thời gian (Không đáng kể nếu đủ nhỏ) Chú ý: 1. Chuẩn hoá theo khoảng cách tần số giữa hai kênh; 2: Chuẩn hoá theo tần số lấy mẫu, tính theo ppm; 3: Chuẩn hoá theo thời khoảng một ký tự tín hiệu phát T=Ts+Tcp Bảng 3.1. Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ Hình 3.1 Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau 3.3 Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại Tỉ số công suất tương đối cực đại lớn là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuếch đại công suất sẽ không thể đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Vì vậy, cùng với đồng bộ tần số sóng mang như đã trình bày ở phần trên, giảm tỉ số công suất tương đối cực đại là một trong hai yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống sử dụng OFDM. 3.3.1 Định nghĩa Công suất tương đối cực đại (Peak to Average Ratio - PAR) của một ký tự tín hiệu OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương của các mẫu này: PAR = (3.2) Hình 3.2. Một số không gian tín hiệu PAR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAR biểu diễn khoảng cách đến gốc của các ký tự trong không gian tín hiệu. Để minh hoạ rõ hơn, xét ba ví dụ trên hình 3.2 cho các hệ thống thông tin thông thường như sau: - Hệ thống nhị phân {0,1}: - Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK): do các kí tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau (khoảng cách đến gốc như nhau) nên PAR = 1. Đây chính là giá trị nhỏ nhất của PAR trong mọi hệ thống. - Với hệ thống dùng 16-QAM: PAR = 1,8. 3.3.2 Thuộc tính thống kê Giả sử các ký tự thông tin là ngẫu nhiên và độc lập với nhau. Với số lượng sóng mang đủ lớn (N = 64), có thể áp dụng định luật giới hạn trung tâm để xấp xỉ các mẫu tín hiệu trong miền thời gian của một kí tự OFDM có dạng phân bố Gauss phức với phần thực và phần ảo có kỳ vọng bằng 0, phương sai sx2 [9]. Đối với các hệ thống COFDM, tính chất độc lập của các ký tự đưa đến IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) có thể không còn nhưng với xu hướng tăng số lượng sóng mang nhánh (điều kiện để áp dụng định luật giới hạn trung tâm), phép xấp xỉ trên vẫn có thể sử dụng được. Độ lớn của mẫu un = |Xn| sẽ có dạng phân bố Rayleigh như sau: (3.3) Với phân bố Rayleigh như trên, có thể thấy khả năng giá trị cực đại của một mẫu lớn hơn giá trị trung bình nhiều lần là khá cao. Để đánh giá khả năng này, người ta tính xác suất mà giá trị cực đại của các mẫu trong một ký tự OFDM vượt quá một ngưỡng a xác định nào đó: Pr = 1-Pr(um<a ) = 1- = 1- (3.4) Mặt khác, từ công thức (3.2) có: Pr= Pr= Pr= Pr (3.5) Đặt PAR0=, thuộc tính thống kê của PAR trong OFDM sẽ được cho trong công thức sau: Pr (PAR ³ PAR0) = 1 - (1 - exp[-PAR0])N (3.6) Để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đã được sử dụng, người ta đã so sánh kết quả thu được trong công thức (7) với kết quả đạt được bằng mô phỏng Monte Carlo với các giá trị khác nhau của số lượng sóng mang N sử dụng điều chế 16-QAM (Hình 3.3). So sánh một lần nữa khẳng định với N ³ 64, phân tích trên đạt được độ chính xác cao. Hình 3.3. So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng 3.3.3 Phương pháp giảm PAR Hiện nay, đa số các hệ thống thông tin OFDM đều đã và sẽ được khuyến nghị sử dụng nhiều sóng mang nhánh để phát huy các ưu điểm của kỹ thuật này. Do đó, vấn đề giảm PAR đóng vai trò quan trọng trong việc đem áp dụng OFDM vào thực tế. Có khá nhiều nghiên cứu để xử lý vấn đề trên, tuy nhiên có thể chia các giải pháp giảm PAR theo hai hướng chính. Hướng thứ nhất sử dụng việc đưa thêm một số thông tin hỗ trợ (dữ liệu, mã) vào ký tự OFDM. Hướng thứ hai là sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (ví dụ QAM, PSK,...) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT (Biến đổi Fourier rời rạc ngược) có PAR thấp. Mục này sẽ nêu ra một số cách xử lý theo hai hướng trên. 3.3.3.1 Sử dụng thông tin hỗ trợ Như trên đã nói, có thể giảm PAR bằng cách chèn thêm một số thông tin hỗ trợ như mã hoá hay dữ liệu. Mã hoá để giảm PAR là phương pháp được sử dụng kết hợp với mã sửa sai trước. Phương pháp này chèn thêm mã vào các mẫu của một ký tự OFDM để làm biến đổi thuộc tính thống kê của các mẫu này. Dạng mã hoá thích hợp theo phương pháp này là dạng kết hợp giữa dãy mã Golay và mã Reed-Muller. . Một số ảnh hưởng của phương pháp sử dụng thông tin hỗ trợ đến hệ thống OFDM là: - Tạo ra dư thừa thông tin, làm chậm tốc độ truyền dẫn, giảm tỉ số SNR - Công suất phát phải tăng lên. - Tăng độ phức tạp bên máy phát nhưng lại giảm độ phức tạp bên thu do chỉ cần phải triệt tiêu các thành phần tone chứa thông tin hỗ trợ. 3.3.3.2 Xử lí không gian tín hiệu Xử lí không gian tín hiệu thực chất là thực hiện một số thao tác, biến đổi không gian tín hiệu đầu vào IDFT sao cho có thể giảm được PAR. Dưới đây là một số giải pháp theo hướng này. - Dùng sơ đồ lựa chọn (Selecting Mapping). Phương pháp giảm PAR dùng sơ đồ lựa chọn là giải pháp rất đơn giản. Sử dụng các phép biến đổi để tạo ra M bộ mẫu theo thời gian của cùng ký tự OFDM thứ k:   = , i = 1, 2, ..., M - Sau đó, lựa chọn bộ mẫu có PAR thấp nhất để truyền đi. Tuy nhiên, nếu kích thước một khung tin hiệu OFDM lớn thì việc tính toán tối ưu sẽ phức tạp. Số bộ nhớ dành cho lưu trữ thông tin tạm thời về M bộ mẫu cũng bị hạn chế. - Dùng các dãy truyền dẫn thành phần (Partial Transmit Sequences) Hình 3.4. Phương pháp chọn các dãy truyền dẫn thành phần Về mặt nguyên lí, phương pháp này cũng tương tự như phương pháp lựa dùng sơ đồ lựa chọn. Tuy nhiên, trong phương pháp này, tín hiệu trước khi đưa đến IDFT được chia thành các khối con (sub-block) rồi thực hiện tương tự như dùng sơ đồ lựa chọn đối với từng khối con này như trên Hình 3.4. Việc tối ưu hoá việc lựa chọn các phép biến đổi theo phương pháp này đơn giản hơn phương pháp dùng sơ đồ lựa chọn. Có thể xem đây là phương pháp gần tối ưu trong việc xử lý quan hệ trái ngược giữa giảm PAR và tăng độ dư thừa thông tin Một số ảnh hưởng của phương pháp này đến hệ thống: - Độ dư thừa thông tin ở mức thấp; - Không cần tăng công suất phát; - Độ phức tạp của thiết bị: độ phức tạp tăng theo hàm mũ của số khối con. Nghiên cứu về giảm PAR vẫn đang được tiếp tục để có thể góp phần đưa kỹ thuật OFDM vào các hệ thống thông tin thực tế đạt hiệu quả cao hơn. Mã hoá Ký hiệu: Source coder/decoder: Bộ mã hoá/giải mã nguồn Conv, encoder/decoder: Bộ mã hoá/giải mã chập TCM encoder/decoder: Bộ mã hoá/giải mã TCM Outer/Inner Interleaver/Deinterleaver: Bộ xen rẽ/tách xen rẽ ngoài/trong Channel Estimation Compensator: Bộ bù ước lượng kênh Training: Dãy tín hiệu dẫn đường Channel: Kênh Hình 3.5. Hệ thống OFDM mã hóa dùng TCM Đối với các hệ thống thông tin số nói chung, mã hoá sửa sai trước (Forward Error Coding - FEC) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là để đảm bảo tỉ số lỗi trong giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị của SNR. Trong OFDM, ảnh hưởng của hiện tượng “vọng” (echo) là lớn do hiện tượng này có thể xảy ra trên nhiều tần số của các sóng mang nhánh, gây tác động mạnh đến các nhóm bit thông tin được truyền trên đó. Với hệ thống OFDM, do thông tin được truyền song song trên nhiều sóng mang nhánh nên có thể kết hợp mã hoá với xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian-tần số. Việc sử dụng xen rẽ dễ dàng là điểm khác của hệ thống MCM (MultiCarier Modulation) so với hệ thống một sóng mang truyền thống. Đây cũng là cơ sở thuận lợi để thực hiện một số loại mã mạnh như mã Turbo, mã TCM (Trellis-Coded Modulation) và một số loại mã khác. Dưới đây là một ví dụ áp dụng mã TCM trong hệ thốngOFDM.Trong hệ thống này, mã hoá ghép (concatenated code) được sử dụng kết hợp với xen rẽ hai miền (thời gian, tần số) và kỹ thuật nhảy tần để đạt được phân tập theo sơ đồ trên hình 3.5. Bộ mã hoá trong là bộ mã hoá TCM nhị phân. Với mã hoá này, bộ giải mã sẽ có cấu trúc đơn giản trong khi vẫn cung cấp được độ phân tập đạt yêu cầu. Bên thu áp dụng giải mã mềm theo thuật toán Viterbi (Soft Output Viterbi Algorithm - SOVA). Hệ thống ước lượng và bù tham số kênh bằng cách dùng tín hiệu pilot. Các bộ xen rẽ làm nhiệm vụ phân tách lỗi nhóm của hệ thống, trong đó bộ xen rẽ trong có cấu trúc phức tạp hơn do phải xử lý trực tiếp các nhóm bit lỗi dưới ảnh hưởng của kênh fading. Ngoài ra, kết hợp với bộ mã hoá trong, bộ xử lý điều chế đa sóng mang và thực hiện nhảy tần, bộ xen rẽ sẽ tạo ra phân tập trên cả hai miền thời gian/tần số như minh hoạ ở hình 3.6. Hình 3.6. Dạng nhảy tần của tín hiệu Mã hoá cũng được thực hiện theo một số khuyến nghị sử dụng OFDM như trong phát thanh/truyền hình số... Mã hoá được sử dụng khác nhau tuỳ theo yêu cầu cụ thể đối với từng loại dịch vụ, hệ thống. Kết luận :Việc thực hiện OFDM cũng có một số khó khăn, hai vấn đề chủ yếu cần phải giải quyết là đồng bộ thời gian/tần số và giảm công suất tương đối cực đại của hệ thống. Vấn đề thứ nhất liên quan đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống, các nghiên cứu đã cho thấy chỉ tiêu hệ thống phụ thuộc nhiều vào đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số giữa các sóng mang. Do đó, cần tìm giải pháp để thực hiện đồng bộ đạt độ chính xác yêu cầu. Các giải pháp này được thực hiện đồng thời với kỹ thuật ước lượng kênh. Kỹ thuật này cũng trực tiếp góp phần nâng cao chất lượng hệ thống vì thông tin thu được sau ước lượng kênh sẽ được dùng cho giải điều chế liên kết đem lại độ lợi khoảng 3 dB so với giải điều chế không liên kết. Vấn đề thứ hai liên quan đến việc sử dụng năng lượng trong hệ thống OFDM. Do sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Để khắc phục những hạn chế này, người ta đưa ra nhiều phương pháp. Tuy nhiên, không phương pháp nào được coi là ưu thế hơn những phương pháp khác. Hiện nay, OFDM đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thông tin tốc độ cao như phát thanh/truyền hình số và sẽ được sử dụng trong các hệ thống di động trong tương lai như các hệ thống thông tin LAN vô tuyến (HIPERLAN BRAN/2, IEEE 802.11a,b), gần đây là HIPERPAN.OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thông tin di động đa phương tiện (còn gọi là thông tin di động thế hệ 4). Trước sự thành công của việc sử dụng OFDM trong phát thanh/truyền hình số, gần đây người ta cũng nghiên cứu khả năng sử dụng OFDM kết hợp với kỹ thuật FDMA, TDMA và CDMA để tạo thành các kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin di động. Cần chú ý rằng, các hệ thống sử dụng OFDM trong tương lai là các hệ thống phối hợp, bổ sung và hỗ trợ với các hệ thống truyền thống một sóng mang chứ không cạnh tranh với các hệ thống này. Chương 4 Ứng dụng của OFDM trong hệ thống thông tin 4.1 Phát thanh số DAB 4.1.1 Giới thiệu Với những đặc điểm ưu việt của mình, điều chế đa sóng mang đặc biệt thích hợp cho truyền thông quảng bá tín hiệu số. Cơ quan tiêu chuẩn Châu âu đã chấp nhận OFDM là chuẩn điều chế cho phát thanh và truyền hình số cho cả mặt đất và vệ tinh. Chuẩn phát thanh số DAB (Digital Audio Broadcast) được ban hành cho 3 dạng sau: - Dạng 1: áp dụng cho mạng đơn tần SFN (Single Frequency Networks) mặt đất. - Dạng 2: áp dụng cho phát thanh số mặt đất thông thường ở các địa phương. - Dạng 3: áp dụng cho phát thanh quảng bá qua vệ tinh. Với các thông số của các dạng như sau: Mode1 Mode2 Mode3 Carrier number 1.536 384 192 Carrier spacing 1kHz 4kHz 8kHz Symbol time 1.246 ms 311.5 ms 155.8 ms Guard time 246 ms 61.5 ms 30.8 ms Carrier frequency <375 MHz <1.5 GHz <3 GHz Transmitter separation <96 Km <24 Km <12 Km Bảng 4-1 Các chuẩn phát thanh số DAB của Châu âu Trong đó nổi bật nhất là dạng 1 dùng cho mạng đơn tần SFN. Mạng đơn tần chỉ có thể thiết lập khi sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Mạng đơn