Đồ án Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - Vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật này

thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con. Nguyên nhân chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và máy thu, có sự chuyển động tương đối giữa chúng. Do tính chọn lọc tần số của kênh fading. Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể khôi phục chính xác như đã phát. Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI Để hạn chế ảnh hưởng của ICI, người ta chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn và dùng pilot dẫn đường giúp ước lượng và cân bằng kênh khi khôi phục tín hiệu ở phía thu. Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray Bất kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần. Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thống khác. Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống. Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy thu. Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là tạp âm trên chính kênh truyền ISI, ICI, IMD. Nếu không làm giảm, không có biện pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và không thể khôi phục. Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray. Mã hóa Gray là phương pháp mã hóa dữ liệu mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit. Nhờ đó sẽ giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một kí hiệu đơn. Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray Cơ số 10 Mã Gray Cơ số 10 Mã Gray 0 0000 8 1100 1 0001 9 1101 2 0011 10 1111 3 0010 11 1110 4 0110 12 1010 5 0111 13 1011 6 0101 14 1001 7 0100 15 1000 Giản đồ IQ (Imphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vecto truyền cho tất cả các từ mã dữ liệu. Mỗi từ mã dữ liệu phải được phân phối một vecto IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiễu lỗi bit xảy ra từ một symbol đơn. Mã hoá Gray có thể sử dụng cho toàn bộ các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK, 16-PSK,…) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM,…). Đối với QAM thì mỗi trục sẽ được ghép riêng sử dụng mã hoá Gray. Hình 2.7 minh họa sơ đồ IQ cho phép điều chế 16-QAM sử dụng mã Gray. Đây là phép điều chế sẽ được sử dụng trong sản phẩm thực hiện hệ thống truyền thông OFDM ở bên dưới. Như trong hình của phép điều chế thì ta có thể thấy rõ thì mỗi từ mã đứng cạnh nhau chỉ sai khác nhau 1 bit theo pháp mã hóa Gray. Hình 2.7 Sơ đồ chòm sao 16-QAM Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần. Trong thực tế với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thông OFDM ít phức tạp hơn so với một thệ thống đơn sóng mang. Phổ của tín hiệu OFDM là phổ tổng hợp của các thành phần tần số sóng mang con có dạng sinc [xin(x)/x]. Các sóng mang con trong kỹ thuật OFDM chồng lấn lên nhau, trực giao với nhau, nhờ đó mà băng tần trong kỹ thuật OFDM sử dụng đã tiết kiệm hơn rất nhiều so với các kỹ thuật ghép kênh khác. Tuy nhiên, phổ tổng hợp của chúng vẫn sẽ có một đường bao bên chiếm một lượng băng tần khá lớn. Các đường bao này chính là thành phần tần số ngoài băng và cần loại bỏ nó. Tần số ngoài băng sẽ được loại bỏ khi sử dụng một bộ lọc băng thông hoặc dùng khoảng bảo vệ cosin tăng. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 2 giải pháp này. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng. Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ bớt đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM là tạo khoảng bảo vệ cosin tăng. Phương pháp này thực hiện làm dốc khoảng bảo vệ ép nhọn nó đến ‘0’ trước kí hiệu tiếp theo. Sự ép nhọn khoảng bảo vệ chuyển giao giữa các kí hiệu sẽ làm giảm công suất đường bao bên, thực hiện tối ưu hơn cho việc loại bỏ tín hiệu ngoài băng. Hình 2.8 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC Khoảng bảo vệ cosin tăng Raise Cosin (RC) được tạo ra với hình dạng một hàm cosin bình phương. Tính chất giảm dần đến ‘0’ của khoảng RC được chọn rất nhỏ và có thể bỏ qua ở phía thu. Nhiễu ISI do nó gây ra sẽ rất thấp. Một ví dụ về hình dạng hàm cosin tăng: (i = 1:delta) cos_val = cos( i*PI/(2.0*(delta - 1)) ); cos_Table[i] = float(cos_val * cos_val); Với delta là khoảng chiều dài ta chọn thực hiện làm khoảng bảo vệ RC. Bảng cosin tăng cos_Table sẽ được kết hợp với tín hiệu OFDM để tạo thành khoảng RC. Trên thực tế, khoảng bảo vệ RC được chọn theo phần phẳng của tín hiệu OFDM và chọn sao cho nó có thể bỏ qua ở phía thu mà vẫn thu được dữ liệu bình thường. RC là phần trăm cosin tăng. TRC là độ dài khoảng RC. TFFT là độ dài tín hiệu OFDM sau khi thực hiện IFFT chưa thêm khoảng bảo vệ. TGI là độ dài khoảng bảo vệ phẳng GI. Trên thực tế thì việc thêm khoảng bảo vệ là không đủ để giảm đường bao bên đáng kể, vì thế cần phải dùng thêm bộ lọc băng thông. Phương pháp dùng bộ lọc băng thông Chúng ta đã xem xét việc sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng để cắt bớt thành phần tần số ngoài băng giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, để có thể sử dụng triệt để hơn, chúng ta phải sử dụng đến bộ lọc băng thông. Sự cắt của bộ lọc băng thông là rất gọn, điều này cho phép phân chia các khối tín hiệu OFDM một cách hiệu quả. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép các khối tín hiệu OFDM có thể được xếp rất gần nhau trong miền tần số, nhờ đó giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên sự cắt rất khít này sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (signal noise rate) SNR. Cần xem xét ảnh hưởng của nó khi thiết kế một hệ thống OFDM dùng bộ lọc. Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số sang dạnh sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ. Trong OFDM loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên tín hiệu OFDM. Giá trị loại bỏ bup sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng. Bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỷ lệ cắt cao hơn nhiều so với bộ lọc tương tự. Do đó, chúng giúp ích nhiều trong việc hạn chế băng thông vô ích của tín hiệu OFDM. Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI. Độ phức tạp của tính lọc băng thông FIR Việc sử dụng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do các tín hiệu OFDM có dạng Sinc ở miền tần số. Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR, số tap cần thiết (số lượng nhánh của bộ lọc FIR) tương ứng với: Ntaps: số tap (nhánh) của bộ lọc FIR. Wt: độ rộng quá độ của cửa sổ dùng để chế tạo bộ lọc FIR. NFFT: kích thước FFT để tạo tín hiệu. Ft: độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hóa cho khoảng cách tải phụ. Ceil: phép làm tròn về phía lớn hơn. Hình 2.9 mô tả đặc tuyến của bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị ft khác nhau. Ta thấy ft càng nhỏ thì tác dụng cắt càng hiệu quả. Biên độ (dB) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -100 0 50 -50 0 ft =0.2 Hz ft =0.4 Hz Hình 2.9 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 𝛃=3.4 Tần số chuẩn hóa ft Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM Trong miền thời gian, symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số. Và nếu sử dụng bộ lọc băng thông áp dụng dến tín hiệu OFDM thì dạng sóng tín hiệu trong tần số sẽ có dạng hình chữ nhật và suy giảm trong miền thời gian sẽ có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này gây thêm nhiễu ISI giữa các symbol OFDM làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật. Ta có thể loại bỏ nhiễu ISI do bộ lọc gây ra bằng việc dùng khoảng bảo vệ có độ dài thích hợp một cách dễ dàng. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ. Chương 3. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM Mở đầu Bất kỳ một hệ thống viễn thông nói chung nào cũng đều cần có khâu đồng bộ giữa tín hiệu bên phát và tín hiệu bên thu để kỳ vọng có thể thu được tín hiệu đúng như tín hiệu gốc ban đầu. Đồng bộ càng chính xác thì hiệu năng của hệ thống càng cao. Đặc biệt, nhược điểm của hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM là dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là lỗi đồng bộ tần số do mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ thì vấn đề đồng bộ càng là một vấn đề quan trọng cần xem xét. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn các lỗi gây ra sự mất đồng bộ và các phương pháp xử lý chúng: đồng bộ kí tự (symbol) để nhận biết khung; đồng bộ tần số lấy mẫu để điều chỉnh sai số lấy mẫu; đồng bộ tần số sóng mang để sửa chữa khoảng dịch tần số. Chúng ta sẽ xem xét thêm ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất của hệ thống. Tổng quan về đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là nhiệm vụ cơ bản của mỗi hệ thống thông tin số nói chung và hệ thống OFDM nói riêng. Hệ thống OFDM có nhiều lợi ích trong việc sử dụng hiệu quả phổ tần nhờ tính trực giao của các sóng mang con và điều chế thích nghi như đã trình bày. Tuy nhiên chính những đặc điểm này lại làm cho hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM đặc biệt dễ dàng bị ảnh hưởng lỗi do đồng bộ, lỗi vì sự sai lệch tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doopler khi di chuyển, gây ra nhiễu giao tần số ICI. Một hệ thống OFDM sẽ không thể thực hiện tốt nếu không có sự đồng bộ chính xác. Như chúng ta đã biết, tín hiệu OFDM là tổng hợp của các sóng mang phụ trực giao với nhau, và ta chỉ có thể thu được tín hiệu chính xác khi có các sóng mang đó vẫn còn tính trực giao. Các sóng mang này chỉ hoàn toàn trực giao khi bên phát và bên thu sử dụng những tần số hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, bộ dao động ở bên phát và bên thu sẽ không thể hoạt động ở cùng một tần số như nhau được. Hơn nữa với việc thực hiện truyền thông vô tuyến thì dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn thì các sóng mang con sẽ khó còn đảm bảo tính trực giao. Ngoài ra, vì quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng kí tự không còn chính xác. Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng. Vậy, nếu các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu hoạt động chính xác thì khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng thời gian symbol là những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ. Khoảng dịch tần số sóng mang gây ra nhiễu ICI và độ dịch khoảng thời gian gây ra nhiễu ISI. Tổng quát, một quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM sẽ phải qua 3 bước như hình 3.1: Nhận biết khung: tìm ra điểm đầu của khung OFDM. Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE: nhằm bù lại sự thay đổi về tần số ở phía thu. Bám đuổi lỗi thặng dư FOE (Frequency Offset Estimation): sửa lỗi sai pha tín hiệu. Nhận biết khung Ước lượng khoảng dịch tần số FFT Bám đuổi pha Ước lượng kênh Giải mã Hình 3.1 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, cần sử dụng mối tương quan trong miền thời gian của các symbol pilot hoặc các khoảng tiền tố lặp CP. Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL). Nhận biết khung Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các kí hiệu OFDM. Bằng việc sử dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định. Ta giả sử luồng dữ liệu như hình bên dưới: Hình 3.2 Nhận biết khung truyền Symbol Pilot Symbol Data Điểm S Điểm F Ở đây có 2 điểm ta cần phải tìm ra để thực hiện kỹ thuật đồng bộ là điểm S và điểm F. Điểm S là điểm đầu của khung đầu tiên của luồng dữ liệu thu được. Trước điểm S là nhiễu của kênh vô tuyến do lúc này chưa phát dữ liệu. Điểm F là điểm giáp ranh giữa các khung OFDM. Do sự sai lệch xung dao động giữa bên phát và bên thu và ảnh hưởng của nhiễu gây nên sự sai lệch về thời gian giữa 2 bên. Để đảm bảo toàn vẹn dữ liệu thì cần phải đồng bộ nhiều lần trong khi phát và thu dữ liệu, tức tìm ra các điểm F. Để nhận biết khung, người ta sử dụng chuỗi PN (Pseudo Noise) miền thời gian được mã hóa vi phân. Chuỗi PN được phát như là một phần đầu của symbol OFDM. Loại chuỗi PN thường được sử dụng là chuỗi có độ dài (hay chu kỳ) cực đại còn gọi là m-sequence (chuỗi m). Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có cấu hình Fibonacci hay Galois (hai cấu hình này về mặt toán học thì tương đương nhau), được hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của thanh ghi tham gia hay không vào mạch hồi tiếp. Đa thức sinh là một đa thức nguyên thủy (primitive polynomial), khi đó chuỗi chip lối ra sẽ là một chuỗi PN có chu kỳ lặp lại lớn nhất, là N = 2m - 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi. Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dang thumb-nail. Tức là khi chuỗi PN tính tương quan với một phiên bản của chính nó thì nếu 2 chuỗi này trùng khít nhau sẽ có giá trị tương quan đạt đỉnh (cực đại), còn nếu lệch pha nhau quá độ rộng 1 phần tử của chuỗi thì giá trị tương quan sẽ xấp xỉ 0. Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN phía phát khi đồng bộ với phía thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan. Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN Điểm mấu chốt là việc 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, khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ tính tương quan chuỗi PN. Ở đây, thuật toán để nhận biết đỉnh là sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định, lưu các giá trị Metric định thời |M(g)|. Ta nhận biết khung thành công khi Phần tử trung tâm của bộ đệm là lớn nhất Tỷ lệ giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. Metric định thời M(g) được biểu diễn: Trong đó, y(i): tín hiệu thu. g: khoảng dịch cửa sổ trượt. d(i): chuỗi PN dùng để thực hiện đồng bộ. N: chiều dài chuỗi PN. Do tính tương quan bị phá vỡ nên sự phân phối đỉnh tương quan có dạng Sin nên chuỗi PN được điều chế vi phân trên những tín hiệu lân cận. Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và tính tương quan với chuỗi PN đã biết. Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE Khoảng dịch tần số (FOE) là lỗi gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu. Đây là vấn đề lớn nhất cần giải quyết trong khâu đồng bộ tín hiệu OFDM, bởi tín hiệu OFDM chỉ có thể thu được chính xác, tin cậy khi các sóng mang phụ vẫn đảm bảo tính trực giao với nhau. Ước lượng khoảng dịch tần số dựa vào những khoảng dữ liệu được phát đi giống nhau và với việc dựa tính chất của phép tương quan để ước lượng. Ví dụ các pilot cách nhau đều đặn nếu chèn theo một quy luật cố định, các khoảng tiền tố lặp cách nhau đều đặn một khoảng thời gian T (bằng chiều dài symbol FFT) thì sẽ giống hệt nhau và chỉ khác nhau thừa số pha do chính sự sai lệch gây nên . Để xác định khoảng dịch tần số, người ta phân khoảng dịch ra thành phần nguyên và phần thập phân: Trong đó, A : phần nguyên ρ : phần thập phân thuộc (-1/2 ; 1/2) Phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu cách nhau một khoảng thời gian T. Phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ. Ước lượng phần thập phân Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được biểu diễn: Trong đó, l : chỉ số mẫu (miền thời gian). y(l) : mẫu tín hiệu thu. N : tổng số sóng mang phụ. z(l) : nhiễu. Tín hiệu s(l) được biểu diễn như sau: Trong đó, k : chỉ số sóng mang phụ (miền tần số). U(k) : dữ liệu điều chế trên sóng mang phụ. C(k) : đáp ứng tần số sóng mang phụ. Tính tương quan giữa các mẫu cách nhau khoảng T (tức N mẫu) ta có: Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau: Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu như (3.4). J có thể được triển khai sắp xếp lại thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian. Định nghĩa phần lỗi ước lượng phần thập phân: Độ lệch chuẩn được tính như sau: 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 ước lượng thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT: Vector ρ có các thành phần: , Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu, một ký hiệu FFT mới có thể được tạo ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, tức là: Sử dụng y/2 và nhiễu cùng tỷ lệ theo đó. FFT cho y/2: = { U(k) C(k)} + Z(n) Một chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận để ước lượng xoay quanh 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. Bám đuổi lỗi thặng dư Xét một hệ thống OFDM với một chu kỳ kí hiệu: TS= Tg+T hoặc NS=Ng+N biểu diễn số mẫu tín hiệu. Tg : chiều dài khoảng bảo vệ. T : chiều dài FFT. Thừa số pha của khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu OFDM được biểu diễn: Trong đó, m : chỉ số symbol, l : chỉ số mẫu. A : phần nguyên khoảng lệch tần số. 𝜌 : phần thập phân khoảng lệch tần số. Nếu cho FOE đúng, khi đó thừa số pha sau khi bù khoảng dịch tần số là: : phần lỗi ước lượng phần thập phân. . Giá trị gây ra lỗi pha do sai số lấy mẫu, còn số hạng gây ra nhiễu ICI do sai số tần số sóng mang. Tín hiệu sau biến đổi FFT được biểu diễn: Lỗi pha do sai số lấy mẫu () tăng tuyến tính trên các symbol. Có thể bám đuổi lỗi pha bằng cách dùng vòng khóa pha số DPLL. Hàm truyền đạt của DPLL là: Trong đó, : hệ số tắt dần : tần số của DPLL Đồng bộ kí tự Đồng bộ kí tự cũng chính là đồng bộ thời gian vì nó khắc phục được lỗi thời gian. Nhiệm vụ của đồng bộ kí tự là phải xác định được thời điểm kí tự bắt đầu. Hiện nay với việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) thì việc đồng bộ kí tự trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố cần quan tâm khi thực hiện đồng bộ kí tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. Lỗi thời gian và thực hiện đồng bộ Lỗi thời gian gây ra do sự sai lệch trong việc lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi nhịp và lỗi định thời do symbol tự gây ra do sự sai lệch thời gian thời điểm bắt đầu kí tự thu. Dù đồng hồ lấy mẫu có độ chính xác cao thế nào đi nữa thì vẫn sẽ có sai số và gây ra lỗi về thời gian lấy mẫu. 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. Khi đó, yêu cầu về đồng bộ phải chặt chẽ hơn. Có 3 phương pháp thực hiện đồng bộ kí tự là đồng bộ dựa vào tiền tố lặp CP, dựa vào pilot và đồng bộ khung dựa trên mã đồng bộ khung. Đồng bộ kí tự dựa vào tiền tố lặp CP Giống nhau CP Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ Copy Nsymbol NIFFT IFFT IFFT Khoảng bảo vệ Khoảng copied Hình 3.4 cho ta thấy đặc điểm cấu trúc 1 khung OFDM, đó là sử dụng một khoảng tín hiệu copy từ cuối kí hiệu OFDM lên đầu kí hiệu. Khoảng tín hiệu này vừa có chức năng cơ bản là làm khoảng bảo vệ chống nhiễu ISI vừa có chức năng đóng vai trò giúp thực hiện đồng bộ kí tự. Từ đây ta có những thuật toán tương tự nhau giúp cho việc đồng bộ kí tự. Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu Copy Copy Điểm đầu khung Hình 3.5 chỉ ra những phần tín hiệu giống nhau của luồng dữ liệu và có thể sử dụng nó để thực hiện đồng bộ. Lý thuyết về các hàm tương quan của các quá trình xác suất Hàm tương quan đánh giá sự tương quan (có thể hiểu là sự liên hệ với nhau, so sánh sự tương tự, giống nhau đến mức nào) của 2 quá trình xác suất. Định nghĩa hàm tương quan chéo của 2 quá trình xác suất Hàm tự tương quan của một quá trình xác suất Tính chất của hàm tự tương quan: Trong đó, E[x]: kỳ vọng của biến ngẫu nhiên x. mx: momen bậc 1 của biến ngẫu nhiên x là kỳ vọng của biến xác suất đó. : phương sai của biến ngẫu nhiên x. Hệ số tự tương quan Hệ số tương quan chéo Hai quá trình được gọi là không tương quan nếu hệ số tương quan chéo của chúng bằng 0. Hai quá trình độc lập xác suất thì bao giờ cũng không tương quan. Trường hợp ngược lại không luôn luôn đúng. Mỗi quan hệ giữa mật độ phổ năng lượng và hàm tự tương quan của một quá trình xác suất Đồng bộ dựa vào tính tương quan Theo đặc tính của hàm tương quan chéo là một hàm số đánh giá sự tương quan, sự giống nhau của 2 mẫu tín hiệu được đem ra so sánh. Nếu 2 chuỗi tín hiệu này càng giống nhau thì giá trị đỉnh tương quan của phép nhân tương quan chéo này càng lớn. Đó là khi 2 chuỗi tín hiệu giống hoàn toàn nhau và phép nhân tương quan chéo trở thành tự tương quan. Do đó ta sẽ thực hiện nhân tương quan chuỗi số có độ dài đúng bằng chiều dài chuỗi bảo vệ. Ta sử dụng 1 cửa sổ trượt có chiều dài bằng chiều dài chuỗi bảo vệ thì khi cửa sổ nằm đúng tại điểm đầu khung OFDM ta sẽ đạt được đỉnh tương quan lớn nhất. Bằng cách đi tìm đỉnh lớn nhất này ta sẽ xác định được điểm đầu khung dữ liệu. Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng 1 bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả tính toán tạm thời là giá trị các đỉnh tương quan khi cho cửa sổ trượt trong khi thu tín hiệu. Sự nhận biết khung thành công khi: Phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất Tỷ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan Hình 3.6 là hình ảnh khi ta thực hiện nhân tương quan tín hiệu thu được tại bên thu với cửa sổ trượt chính bằng khoảng tiền tố lặp CP và 2 mẫu tín hiệu nhân tương quan cách nhau chiều dài bằng chiều dài symbol khi chưa thêm khoảng bảo vệ là NFFT. Sau khi thực hiện nhân tương quan, ta sẽ thu được kết quả có các đỉnh tương quan lớn nhất nằm ở những vị trí chính là điểm đầu của mỗi khung OFDM. Đồng bộ dựa vào giá trị trung bình bình phương tối thiểu Xét 2 khoảng tín hiệu thu cách nhau N (NFFT) bước. Với N là số sóng mang phụ bằng NFFT. N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp. Nếu r(m) và r(m-N) tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất của d(m) là |d(m)|2 trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM. Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng thời gian bằng khoảng thời gian của CP (điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của symbol OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của symbol OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của symbol OFDM, và đồng bộ kí tự được thực hiện. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot Pilot có thể được hiểu như những mẫu kí tự dẫn đường, làm hoa tiêu. Tín hiệu bên phát khi truyền qua kênh vô tuyến thì biên độ và pha đã bị thay đổi. OFDM sẽ dụng pilot để ước lượng và cân bằng kênh truyền. Nhờ đó có thể thu lại tín hiệu có hình dạng giống như bên phát. Bên cạnh chức năng chính đó, người ta cũng có thể sử dụng luôn pilot cho khâu đồng bộ. Bên phát và bên thu đều biết trước về pilot, biết trước về cách chèn pilot, mô hình pilot. Hình 3.4 là hình ảnh thực tế trong hệ thống mô phỏng đã chèn pilot vào luồng dữ liệu tuần tự sau vài khung dữ liệu. Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế Thuật toán đồng bộ gồm 3 bước: Nhận biết công suất (Power Detection), đồng bộ "thô" (Coarse Synchronization) và đồng bộ "tinh" (Fine Synchronization). Nhiệm vụ của việc nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng. Trong bước đồng bộ "thô", tín hiệu sẽ được đồng bộ lúc đầu với độ chính xác thấp bằng một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này không cao nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện được sự đồng bộ "thô", người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu được với pilot mà bên thu và bên phát đã cố định từ trước rồi tìm đỉnh tương quan. Tần số ước lượng của các điểm phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan. Trong bước đồng bộ "tinh", do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng của lỗi đồng bộ và đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong khoảng của CP (vì khoảng thời gian của CP phải lớn hơn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy, lỗi pha ở các sóng mang của các kênh phụ chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Khi đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng. Các symbol pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC Bên trên là các thuật toán đồng bộ khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau củ