Đồ án Công nghệ OFDM và các ứng dụng trong thông tin vô tuyến

ố cho truyền trong không gian tự do. Độ lệch này như một phần của bù bộ dao động tại chỗ. Một vấn đề khó khăn hơn là sự mở rộng Doppler do sự dịch chuyển của máy phát hoặc máy thu trong môi trường multipath. Sự mở rộng Doppler được gây ra bởi tốc độ tương đối khác nhau của mỗi một trong các thành phần multipath bị phản xạ, làm cho tín hiệu bị điều chế theo tần số. Sự điều chế FM trên các tải phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ multipath xảy ra trong các môi trường điển hình. Việc bù mở rộng Doppler này là khó, dẫn đến giảm tín hiệu. Hình 1.11: Mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM khi dùng điều chế QAM kết hợp Một độ lệch tần số bất kỳ dẫn đến sự quay pha liên tục tất cả các vectơ tải phụ thu được. Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn. Nếu đặc trưng kênh chỉ được thực hiện ở đầu của mỗi frame thì các lỗi tần số không được giải quyết sẽ dẫn tới giảm chỉ tiêu kỹ thuật theo thời gian. Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR hiệu dụng sẽ bị giảm đi ở cuối frame. Hình vẽ cũng chỉ ra SNR hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh ở đầu của frame. Chỉ tiêu kỹ thuật của điều chế vi sai sẽ tương tự với SNR của symbol đầu tiên, vì sự quay pha sẽ được sửa cho mỗi symbol. Đã có nhiều kỹ thuật được phát triển để đo và theo dõi độ lệch tần số. Các tài liệu cũng nói rằng độ chính xác tần số phải được duy trì trong giới hạn 2-4% để phòng ngừa tổn hao chỉ tiêu đáng kể. Trong môi trường di động nhiều người sử dụng vấn đề còn xấu hơn nữa vì sự truyền từ mỗi người sử dụng có thể có độ lệch tần số khác nhau. Nếu mọi người được đồng bộ tốt với trạm gốc thì vẫn có độ lệch tần số với nhau đáng kể đối với họ do độ lệch Doppler. Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu. Tuy nhiên trong trường hợp nhiều người sử dụng không có cách dễ dàng để sửa các lỗi tần số. 1.8. Ưu điểm của hệ thống OFDM. Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau: 1. OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. 2. 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 thống sóng mang đơn. 3. OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol. 4. Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh. 5. Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang. 6. Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM. 7. Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh. 8. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn. 9. OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. 1.9. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau : 1. Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. 2. 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 các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM. 1.10. Kết luận Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao. Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM. Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ. Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu, giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi ứng dụng OFDM trong DVB_T. CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 2.1. Giới thiệu chương Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T. 2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, …và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath).Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss). Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây…và do phản xạ từ mặt đất. Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao. 2.3. Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: Trong đó : PR là công suất thu được (Watts). PT là công suất phát (Watts). GT là độ lợi của anten phát, GR là độ lợi của anten thu. λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m). R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met. Hoặc ta có thể viết lại là : Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: Lpt(dB)= PT (dB) - PR (dB) = -10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3) Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm, chúng ta có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên, do hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB_T, mạng LAN không dây, môi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có thể tính suy hao đường truyền theo công thức sau: Trong đó hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS. 2.4. Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (fast fading) Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm. Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh mobile.Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 2.1. Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau. Hình 2.1: Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách 25m. Đối với hình 2.1: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00 cho mỗi đường. Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0, 9m thì đường một sẽ có 10/0,9 = 11, 111λ hay có pha là 0, 111× 3600 = 400, trong khi đường thứ hai có 25/ 0, 9 = 27, 778λ, hay có pha là 0, 778× 3600 = 2800. Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này. Hình 2.2: Minh hoạ fading lựa chon tần số Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó. Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông Coherent Bc của kênh. Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi Δf Hz và Δt giây. Hệ số đường bao kết hợp là: với J0 là hàm Bessel bậc không, fm là độ dịch Doppler lớn nhất, δ là độ trải trễ của kênh. Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau. Bảng 2.1: Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt thành không, băng thông Coherent Bc được định nghĩa là độ rộng băng thông Δf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó. Kết quả băng thông Coherent là: Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.1, ta sẽ tính được các băng thông Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có cùng fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó là không đáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay đổi. Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát. Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi. Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số. Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu. Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thời gian thay đổi. Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện. Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent. Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được. Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau. 2.6. Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter) Để phân biệt, so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người ta sử dụng các thông số tán xạ thời gian như độ trễ trung bình vượt mức(mean excess delay), trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trễ vượt mức(excess delay spread). Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile). Excess delay, τ, là khoảng thời gian chênh lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến bộ thu đầu tiên. Tính chất tán xạ thời gian(time dispersive) của kênh truyền dẫn đa đường dải rộng được thể hiện qua thông số mean excess delay, τ, và rms delay spread, τ σ. τ được định nghĩa là moment cấp một của power delay profile: ak, P(τ k): biên độ, công suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường. Rms delay spread (στ) là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của power delay profile: 2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum) Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler shift vào việc truyền một sóng mang chưa điều chế tần số fc từ BS. Một MS di chuyển theo hướng tạo thành một góc αi với tín hiệu nhận được từ thành phần thứ I như hình 2.3. MS di chuyển với vận tốc v, sau khoảng thời gian Δt đi được d=v.Δt. Khi đó đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ I của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng là Δl. Hình 2.3: Hiệu ứng Doppler Theo hình vẽ ta có Δl = d cosαi (2.11) Khi đó, pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng : λ : Bước sóng của tín hiệu. Dấu “-“ cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS. Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyển của MS trong suốt khoảng thời gian Δt : Thay phương trình (2.12) vào phương trình (2.13) ta được: Với fm=v/λ =vfc/c là độ dịch tần doppler cực đại ( từ tần số sóng mang được phát đi) do sự di chuyển của MS. Chú ý rằng, tần số Doppler có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc αi. Tần số Doppler cực đại và cực tiểu là ± fm ứng với góc αi =00 và 1800 khi tia sóng truyền trùng với hướng MS di chuyển : αi=00 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía trước MS. αi=1800 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía sau MS. Điều này tương tự với sự thay đổi tần số của tiếng còi xe lửa được tiếp nhận bởi một người đứng ở đường ray khi xe lửa đang tới gần hoặc đi xa dần người đó. Trong một môi trường truyền dẫn thực, tín hiệu đến bộ thu bằng nhiều đường với khoảng cách và góc tới khác nhau. Vì vậy, khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất (Doppler shift ) tại đầu thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ fc(1-v/c) đến fc(1+v/c) và được gọi là phổ Doppler. Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả các hướng di chuyển của mobile hay nói cách khác là tất cả các góc tới là như nhau (phân bố đều), mật độ phổ công suất của tín hiệu tại bộ thu được cho bởi : với k là hằng số (2.15) Chú ý rằng, Hình dạng của S(f) được mô tả như hình 2.4: Hình 2.4: Phổ công suất Doppler 2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán xạ thời gian của kênh truyền. Tuy nhiên, chúng không cung cấp thông tin về sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển tương đối giữa MS và BS hoặc do sự di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn. Doppler spread và coherence time là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Doppler spread BD là thông số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ tần doppler nhận được là khác không. Khi một sóng hình sin có tần số fC được truyền đi, phổ tín hiệu nhận được, phổ doppler, sẽ có các thành phần nằm trong khoảng tần số fc-fd đến fc+fd với fd là độ dịch tần do hiệu ứng doppler. Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và góc αi giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS. Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là không đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm. Coherence time Tc chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền.Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau : Tc ≈ 1/fm (2.16) Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền không thay đổi. Nói cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sự tương quan với nhau về biên độ. Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu.Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5, khi đó [2]: với fm là tần số doppler cực đại: fm=v/λ Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC tín hiệu truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khi phương trình 2.17 lại quá hạn chế. Vì thế, người ta thường định nghĩa TC là trung bình nhân của hai phương trình trên : Định nghĩa thời gian kết hợp ngụ ý rằng hai tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian TC sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền. Ví dụ, một MS di chuyển với vận tốc 60 m/phút sử dụng sóng mang tần số 900MHZ, ta có thời gian kết hợp : Khi sử dụng hệ thống kĩ thuật số, nếu tốc độ dữ liệu lớn hơn1/TC =454bps, kênh truyền sẽ không tạo ra méo do sự di chuyển của MS. Nếu sử dụng công thức (2.18) thì TC=6.77ns và tốc độ dữ liệu phải lớn hơn 150bit/s để tránh hiện tượng méo do tán xạ tần số. 2.9. Kết luận Sau khi phân tích các tính chất của kênh vô tuyến, chúng ta thấy được rằng, việc thêm vào khoảng thời bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dẫn sóng mang con song song sẽ hạn chế được rất nhiều ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên tín hiệu OFDM. Trong chương tiếp theo, để chúng ta hiểu rõ hơn về kĩ thuật điều chế OFDM, sẽ trình bày các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM, việc đồng bộ, ước lượng kênh cũng như các kĩ thuật giảm PAR trong hệ thống OFDM. 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 (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 mNu 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 tả ở hình 3.1 Hình 3.1: Các quá trình đồng bộ trong OFDM 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 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: Ở đây y(i) là tín