Tiểu luận Công Nghệ OFDM và Ứng Dụng Trong Truyền Hình Số Mặt Đất

bởi sự tích lũy của nhiều mẫu rời rạc và kết hợp tất cả “các bộ giải điều chế” trong một thuật toán hiệu quả .Việc phát triễn tiếp theo biễu thức (4.3.4-5) cho trường hợp tổng quát là rất khó .Tuy nhiên một cách đơn giản hóa nó là chú ý rằng chúng ta muốn máy thu hoạt động mà không có độ dự phòng của tín hiệu OFDM khi tính tới nhiễu pha của bộ dao động nội .Vì thế chúng ta giả sử rằng góc ϕ(t) luôn luôn nhỏ và có sự gần đúng như nhau . )(1)( tje tj ϕϕ +≈ (4.3.4-6) Biểu thức trên có thể được suy ra từ một tóm tắt đơn giản ;nó tương đương với việc chỉ lấy hai số hạng đầu tiên trong khai triễn biểu thức sau : .... !3!2 1 32 ++++= xxxe x (4.3.4-7) Chú ý rằng các quá trình là tuyến tính chúng ta có thể viết biểu thức cho ngõ ra của bộ giải điều chế đối với sóng mang thứ l như sau : ∫ ∑− = −+= 1 0 )())(1(1 N k tlkj k u t dteRtjT X uωϕ ∑ ∫ ∑ ∫− = − = −− += 1 0 0 1 0 0 )()( )(11 N k T N k T twlkj k u tlkj k u u u uu dtetjR T dteR T ϕω ll YR += (4.3.4-8) Số hạng đầu tiên là giá trị thu lý tưởng Rl mà ta hy vọng khôi phụ ,trong khi số hạng thứ hai Yl thể hiện N đóng góp là kết quả sự hiện diện của nhiễu pha ϕ(t). 4.4 KHOẢNG BẢO VỆ (GUARD PERIOD) Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thì thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn .Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ ,tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn .Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với can nhiễu giữa can nhiễu ISI (inter- Symbol interference ) gây ra bởi truyền lan nhiều đường. Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol .Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ ,làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol .Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu của mỗi symbol ,có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ ,có chiều dài bằng kích thước IFFT( được sử dụng để tạo tín hiệu ) có một số nguyên lần các chu kỳ .Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục ,không có sự gián đoạn ở chỗ nối .Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn . 4.4.1 BẢO VỆ CHỐNG LẠI OFFSET THỜI GIAN Để giải mã tín hiệu OFDM máy thu phải nhận đuợc FFT của mỗi symbol thu được để tìm ra biên độ và pha của các tải phụ .Đối với hệ thống OFDM dùng cùng một tần số lấy mẫu cho cả máy phát và máy thu ,hệ thống phải dùng cùng một kích thước FFT cho cả máy thu và tín hiệu phát để duy trì sự trực giao của tải phụ.Mỗi symbol thu được có các mẫu độ dài TG+TFFT do bổ sung khoảng bảo vệ .Máy thu chỉ cần các mẫu TFFT của symbol thu được để giải mã tín hiệu .Các mẫu TG còn lại là thừa ,không cần thiết .Đối với kênh lý tưởng không có mở rộng độ trễ máy thu có thể dò tìm được độ lệch thời gian bất kỳ (lớn nhất là bằng khoảng bảo vệ TG) và vẫn còn đạt được số các mẫu Hình 4.4h: Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM đúng .Do bản chất tuần hoàn của sự thay đổi khoảng bảo vệ lệch thời gian (time offset) chỉ dẫn đến sự quay pha của tất cả các tải phụ trong tín hiệu .Giá trị quay pha tỉ lệ với tần số tải phụ .Với tải phụ ở tần số Nyquist thì sự thay đổi là 1800 cho mỗi offset thời gian mẫu.Đã chứng minh rằng offset thời gian được duy trì không đổi từ symbol này tới symbol khác ,nên sự quay pha cho offset thời gian có thể được loại bỏ như một phần của cân bằng kênh trong môi trường multipath ISI giảm độ dài của khoảng bảo vệ ,dẫn đến lỗi offset thời gian cho phép . 4.4.2 BẢO VỆ CHỐNG LẠI ISI Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang .Nếu chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và như vậy điểm không (Null ) sẽ không ở tần số đúng ,dẫ đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference) .Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi bất thình lình tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo.Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ và pha của tải phụ ở điểm đầu symbol. Độ dài của những ảnh hưởng thay đổi nhanh tương ứng với sự mở rông độ trễ của kênh vô tuyến .Tín hiệu thay đổi nhanh là kết quả của mỗi thành phần multipath ở các thời điểm khác nhau một ít, thay đổi vecto tải phụ thu được .Hình 4.2.2h chỉ ra ảnh hưởng này. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao .Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ phần trạng thái đúng của symbol. Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI .Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vố tuyến .Các ảnh huởng còn lại mà multipath gây ra , như thay đổi biên độ và quay pha ,thì được sửa bởi cân bằng kênh . Khoảng bảo vệ Ph a th u đư ợc Thời gian Kênh có multipath Hình 4.4.2 h2 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI Lệch pha do multipath Multipath gây ra ISI dẫn đến dịch pha khi có sóng phản xạ tới Chu kỳ pha ổn định FFT được tính trên chu kỳ này Khoảng bảo vệ Ph a th u đư ợc Thời gian Không có multipath Hình 4.4.2h1 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI Khoảng bảo vệ chống lại các ảnh hưởng thay đổi nhanh do multipath loại bỏ các ảnh hưởng của ISI .Tuy nhiên trong thực tế các thành phần multipath có khuynh hướng suy giảm chậm theo thời gian ,dẫn đến vẫn còn ISI ngay cả khi khoảng bảo vệ tương đối dài được sử dụng . 4.4.3 OVERHEAD CỦA KHOẢNG BẢO VỆ VÀ KHOẢNG CÁCH CÁC TẢI PHỤ Việc đưa vào khoảng bảo vệ làm giảm tốc độ symbol ,tuy nhiên nó không ảnh hưởng tới khoảng cách tải phụ mà máy thu được .Khoảng cách tải phụ được xác định bởi tần số lấy mẫu Fs kích thước FFT được sử dụng phân tích tín hiệu thu được . FFT s N Ff =∆ Với ∆f là khoảng cách tải phụ [Hz] ,FS là tần số lấy mẩu [Hz]là NFFT là kích thuớc FFT.Khoảng bảo vệ bổ sung overhead thời gian làm giảm hiệu quả phổ toàn bộ hệ thống. 4.5 GIỚI HẠN BĂNG THÔNG CỦA OFDM VÀ CỬA SỔ Trong miền thời gian OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sinc được điều chế.Mỗi symbol nằn trong một khoảng thời gian xác định với hàm cửa sổ hình chữ nhật .Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác định đáp tuyến tần số được tạo ra .Hình 4.5h là một ví dụ dạng sóng thời gian truyền OFDM khi dùng khoá dịch pha PSK (Phase Shift Keying), biên độ tải phụ là cố định và pha thay đổi từ symbol này tới symbol kia để truyền dữ liệu .Pha tải phụ thì không đổi đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol .Những thay đổi đột biến này giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tần số . Hình 4.5 h1 : Phổ tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông .Tải phụ DC không được sử dụng làm cho tín hiệu đối xứng xung quanh DC . Hình 4.5 h2 : Phổ của tín hiệu OFDM 1536 tải phụ không có hạn chế băng thông. 4.5.1 LỌC BĂNG THÔNG Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ (aliasing).Trong OFDM lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM.Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng .Nhìn chung lọc số cung cấp độ linh hoạt (flexible), độ chính xác và tỉ lệ cắt (cut off rate) lớn hơn nhiều lọc tương tự , làm cho chúng đặc biệt có ích cho việc hạn chế băng thông tín hiệu OFDM. Hình 4.5.1ha biểu diễn đáp tuyến tần số của OFDM không lọc .Các hình 4.5.1.hb đến 4.5.1.he là các ví dụ của tín hiệu OFDM được lọc băng thông .Các tín hiệu này được lọc bằng bộ đáp tuyến xung hữu hạn FIR(Finite Impulse Respone) được phát triễn khi dùng phương pháp cửa sổ (Windowing methode) .Do số tải phụ được sử dụng trong các hình vẽ là nhỏ nên có thể thấy roll off của lọc FIR .Trong thực tế việc loại bỏ tất cả các búp sóng bên ,nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và thực hiện thì đắt và nó giãm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR (Signal To Noise Rate ) của kênh OFDM .Bộ lọc cũng tác động xấu như loại bỏ một phần năng lượng từ các tải phụ ở phía bên ngoài ;làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI .bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ .Nhưng nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng do vậy cần tính đến các ảnh hưởng này khi thiết kế hệ thống . Hình 4.5.1ha: Phổ của tín hiệu OFDM 1536 tải phụ không có hạn chế băng thông. Hình 4.5.1h2 Phổ của OFDM có 20 tải phụ có hoặc không có lọc băng thông .Tải phụ trung tâm không được sử dụng . a) Phổ OFDM không có lọc băng thông.Các dạng phổ khác có được khi dùng bộ lọc FIR ,được phát triễn khi dùng hàm cửa sổ Kaiser . b) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 3 (suy giảm búp sóng bên là 89 dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 8 khoảng cách tải phụ (Bộ lọc FIR có 24 mắt (Tap) . c) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 3 (Suy giảm búp sóng bên là 40dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 2 khoảng cách sóng mang (Bộ lọc FIR 96 tap). d) Độ rộng cửa sổ Kaiser là 1.5 (Suy giảm búp sóng bên là 40dB).Độ rộng quá độ của bộ lọc là 8 khoảng cách sóng mang (bộ lọc FIR 12 tap). e) Độ rộng của cửa sổ Kaiser là 1.5 (suy giảm búp sóng bên là 40dB ).Độ rộng quá độ khoảng cách sóng mang (Bộ lọc FIR 48 tap). 4.5.2 ĐỘ PHỨC TẠP TÍNH TOÁN LỌC BĂNG THÔNG FIR Việc dùng lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra .Khó khănlà chi phí tính toán cao .Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap cần thiết tương ứng với : ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= t t taps F IFFTWceilN . (4.5.2-1) Ở đây Ntaps là số tap trong bộ lọc FIR ,WT là độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được dùng để tạo bộ lọc FIR ,IFFT là kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệu và FT là độ rộng quá độ của bộ lọc chủan hóa cho khoảng cách tải phụ. Ceil là phép làm tròn về phía lớn hơn ví dụ ceil (1.1)=2 . Ví dụ để tạo tín hiệu như hình 4.5.1h(b) cần lọc với bộ lọc 24 tap .Điều này có thể tính từ đặc điễm kỹ thuật tín hiệu.Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFFT là 64 ,do vậy IFFT=64 .Hàm của sổ Kaiser với độ rông quá độ 3 được sử dụng .Điều này dẫn đến suy giảm dải chặn (stop band)l à 89dB. Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không được lọc là -20dBc và sau khi lọc là -109dBc. Điều này phù hợp với các kết quả trong hình 4.5.1b .Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là : 24 8 640.3 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= xceilNtaps (4.5.2-2) Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích lũy MAC (Multiply and Accumulate) như kết quả của các mẫu phức và như vậy đối với tần số lấy mẫu 20Mhz số phép tính sẽ là 20x106x24x2=960 triệu MAC . Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100) việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn. 4.5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA LỌC BĂNG THÔNG TỚI CHỈ TIÊU KỸ THUẬT OFDM Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật , tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số như hình 3-20.Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol . Điều này dẫn đến ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật .Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ ,do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ . Hình 4.5.3H1 mô tả chỉ tiêu kỹ thuật mô phỏng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông với các độ rộng quá độ khác nhau cho bộ lọc kênh không có nhiễu kênh .Hình vẽ này chỉ ra chỉ tiêu của truyền OFDM ki offset đồng bộ thời gian bị thay đổi .Khoảng bảo vệ được sử dụng trong mô phỏng này có cùng độ dài như phần IFFT của symbol .Khoảng bảo vệ rất dài được sử dụng này làm cho hệ thống chịu được ảnh hưởng của offset thời gian trong một khoảng rất rộng của SNR hiệu dụng tính bằng cách trung bình hóa SNR hiệu dụng trên tất cả các tải phụ .Offset thời gian bằng 0 tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát .Offset thời gian âm tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần của khoảng bảo vệ symbol.(Hình 4.5.3.H2 ) ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo vệ .Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhất loại bỏ các búp sòng bên xuống thấp hơn -100dBc trong giới hạn hai khoảng cách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu. Khoảng bảo vệ trong thử nghiệm này bằng 50% thời gian symbol toàn phần. Như vậy độ dài khoảng bảo vệ bằng thời gian symbol có ích . Carr.cutoff tương ứng với độ rộng quá độ của bộ lọc tính bằng khoảng cách các sóng mang. SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông phụ thuộc vào ảnh hưởng của cả ISI cà ICI. Hình 4.5.3 h1 SNR hiệu dụng như là hàm của độ lệch thời gian của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ được lọc băng thông 4.6 KHOẢNG BẢO VỆ COSIN TĂNG RC (RAISED COSINE GUARD PERIOD ) Một trong những phương pháp đơn giản nhất để triệt các búp sóng bên của tín hiệu OFDM là uốn tròn khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM giảm từ từ nó tới không trước symbol tiếp theo .Sự giảm từ từ này làm chuyển dịch trơn tru giữa các sym bol dẫn đến giảm công suất các búp sóng bên Hình 4.6h Mô tả một symbol OFDM đơn với khoảng bảo vệ có dạng hình cosin tăng RC(Raised Cosine) .Phần này của khoảng bảo vệ có dạng hình cosine bình phương (cos(θ)2),do vậy có tên cosine tăng. Phần cosine tăng của khoảng bảo vệ có thể chồng lấp với các symbol trước và sau vì nó chỉ cung cấp sự bảo vệ tối thiểu chống lại muktipath và lỗi thời gian và bị máy thu làm ngơ.Vì phần này làm giảm dần tới không,nên nó dẫn tới không ,nên nó dẫn tới ISI bổ sung tối thiểu .Ưu điểm chính của sự chồng lấp đó là độ dài của phần cosin tăng .Có thể là gấp đôi mà không tự gây ra overhead thời gian bổ sung .Hình 4.6h Mô tả các symbol trùng lấp. Hình 4.6h Đường bao của các symbol OFDM với khoảng bảo vệ phẳng và khoảng bảo vệ cosine tăng chồng lấp. 4.7 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU GAUSS TRẮNG CỘNG AWGN (ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE ) ĐẾN OFDM. Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống thông tin trên kênh vật lý tương tự, chẳng hạn như kênh radio.Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt ,nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và các can nhiễu giữa tế bào thông tin. Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI ,can nhiễu giữa các sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu /nhiễu ,giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống . Trong tất cả các dạng nhiễu là nguyên nhân có hại chính trong hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến .Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng. Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng AWGN ,nhiễu này có mật độ phổ điều (còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gauss về biên độ (được xem như phân bố chuẩn hoặc đường cong hình vuông ).Nhiễu nhiệt và nhiễu điện do sự khuếch đại ,chủ yếu có tính chất của nhiễu Gauss trắng, do vậy có thể mô hình hoá chúng chính xác theo AWGN .Hầu hết các nguồn nhiễu khác có tính chất AWGN vì sự truyền là OFDM .Các tín hiệu OFDM có một độ phổ phẳng và phân bố biên độ Gauss vì số tải phụ là lớn , do điều này can nhiễu giữa các tế bào từ hệ thống OFDM khác cũng có các tính chất AWGN.Cũng cùng một lý do như vậy ICI ,ISI và IMD cũng có các tính chất AWGN cho các tín hiệu OFDM. 4.7.1 CÁC SƠ ĐỔ ĐIỀU CHẾ Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điều chế trên mỗi tải phụ .Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các dữ liệu vào chòm sao thực (đồng pha )và phức ( vuông pha) ,được biết như chòm sao IQ(inphase Quadrature).Ví dụ 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) có 256 điểm IQ trong một chùm sao được cấu trúc thành hình vuông với 16 cột đặt cách điều nhau trong trục thực và 16 hàng trong trục ảo .Số bit có thể được truyền khi dùng một symbol tương ứng với log2(M) với M là số các điểm trong chòm sao .Do vậy 256 -QAM truyền 8 bit trong một symbol .Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQ duy nhất trong chòm sao.Vecto phức hợp thành I+jQ tương ứng với biên độ 22 QI + và pha argrument (I+jQ) với j= 1− .Việc tăng số điểm trong chòm sao không thay đổi dải thông truyền ,do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm trong chòm sao không thay đổi dãi thông truyền do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiều điểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu quả phổ (hoặc hiệu suất băng thông).Ví dụ 256_QAM cho hiệu quả phổ (lý thuyết )là 8b/s/Hz so với 1b/s/Hz của BPSK .Tuy nhiên số điểm trong giản đồ chòm sao càng lớn bao nhiêu thì việc giải quyết chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu .Đó là vì khi đó các vị trí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhỏ nhiễu là có thể gây ra lỗi truyền .Điều này dẫn đến sự dung hoà trực tiếp giữa dung sai nhiễu và hiệu quả phổ của sơ đồ điều chế,đã được tổng kết trong lý thuyết thông tin Shannon.Lý thyết này phát biểu rằng thông tin cực đại của kênh C có băng thông W với công suất tín hiệu S bị xáo trộn bởi nhiễu trắng có công suất trung bình N thì được xác định theo công thức : ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += N SWC 1log2 (4.7.1a) Hiệu quả phổ của kênh là phép đo số bit được truyền trong một giây trong mỗi Hz băng thông .Do vậy hiệu quả phổ SE đuợc tính theo công thức : ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +== N S W CSe 1log2 (4.7.1b) Ở đây cả tìn hiệu và nhiễu được tính trên thang tuyến tính ,hiệu quả phổ được đo bằng b/s/Hz. 4.7.2 SO SÁNH TRUYỀN OFDM VỚI TRUYỀN SÓNG MANG ĐƠN BER của hệ thống OFDM thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : sơ đồ điều chế được sử dụng ,giá trị multipath và mức nhiễu trong tín hiệu .Tuy nhiên nếu chúng ta xem xét chỉ tiêu kỹ thuật của OFDM với nhiễu Gauss trắng cộng với AWGN thì chỉ tiêu của OFDM chính xác giống như chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền sóng mang đơn kết hợp dùng cùng sơ đồ điều chế . Nếu ta xem xét một tải phụ OFDM đơn (vì các tải phụ là trực giao với nhau nên điều này không ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật ) thì điều này chính xác như truyền sóng mang đơn mà sóng mang này được điều chế vuông pha (Quadrature) không có lọc băng thông .Biên độ và pha truyền đi được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol và được cài đặt dựa trên sơ đồ điều chế và dữ liệu truyền .Sau đó vecto được phát đi này được cập nhật ở đầu của mỗi symbol .Điều này dẫn đến đáp tuyến tần số sinc là đáp tuyến cần thiết cho OFDM . Tuy nhiên hầu hết mọi môi trường truyền sóng bị ảnh huởng của truyền lan nhiều đường .Đối với một băng thông truyền dẫn cố định đã cho ,tốc độ symbol đối với truyền sóng mang đơn là rất cao .Trong khi đó đối với tín hiệu OFDM tốc độ này thấp hơn N lần với N là số tải phụ được sử dụng.Tốc độ symbol thấp hơn này cũng làm ISI thấp đi .Ngoài ra hệ thống OFDM còn dùng khoảng bảo vệ ở đầu mỗi symbol .Khoảng bảo vệ này loại bỏ ISI bất kỳ thấp hơn chiều dài của nó .Nếu khoảng bảo vệ là đủ dài thì tất cả ISI có thể bị loại bỏ . Truyền lan multipath dẫn đến fadinh chọn lọc tần số ,làm giảm các tải phụ riêng .Do vậy hầu hết các hệ thống OFDM dùng sửa lỗi tiến FCC để có thể khôi phục những tải phụ bị suy giảm nhiều .Trong khi đó chỉ tiêu kỹ thuật của truyền sóng mang đơn bị suy giảm nhanh khi có multipath. 4.7.3 CÁC GIỚI HẠN ĐIỀU CHẾ CỦA HỆ THỐNG Hầu hết hệ thống thông tin di động hiện nay như GSM ,IS-95 và các hệ thống thế hệ thứ ba chỉ dùng các sơ đồ điều chế có độ dung sai nhiễu cao như BPSK ,QPSK hoặc tương đương .Điều này dẫn đến hiệu quả phổ thấp nhưng hệ thống mạnh khỏe .Các hệ thống này dùng các sơ đồ điều chế cố định do cần đạt SNR cao . Tốc độ symbol của hệ thống sóng mang đơn phải cao nếu muốn có được tốc độ bit cao .Kết quả là các hệ thống ,ví dụ GSM đòi hỏi cân bằng phức tạp (đến 4 chu kỳ symbol) để khắc phục truyền lan nhiều đường .Các hệ thống GSM được thiết kế để khắc phục độ trễ cực đại tới 15µm ,tương ứng với độ trễ mẫu được thử nghiệm ở khoảng cách truyền từ 30-35km .Tốc độ symbol của GSM là 270KHz tương ứng với chu kỳ symbol 3.7µs, như vậy ISI được gây ra bởi multipath trải dài trên 4 chu kỳ symbol.Điều này có thể phá hủy hoàn toàn thông tin truyền đi ,nhưng nó được khôi phục trong thực tế nhờ dùng cân bằng thích nghi thức .Mặc dù điều này làm việc tốt cho các sơ đồ điều chế mạnh khỏe như GMSK(Gausian Minimum Shift Keying) như đã được sử dụng cho các hệ thống GSM ,việc áp dụng nó thành công cho các sơ đồ điều chế cao hơn là khó khăn vì các lỗi sở tại trong cân bằng sẽ gây tỷ lệ lỗi cao . Trong các hệ thống DS-CDMA vấn đề không bị giới hạn chủ yếu cho multipath ,mà bởi can nhiễu giữa những người sử dụng .Các hệ thống DS-CDMA tận dụng một thực tế là bằng việc trải rộng thông tin của người dùng trên một băng thông rộng sẽ cho phép nhiều người sử dụng tryền tín hiệu ở cùng một tần số .Mỗi một trong các ngưởi sử dụng này trải rộng thông ti bằng moột cách nhân nó với một dãy giả ngẫu nhiên tốc độ cao dau nhất PRS (Preudo Random Sequence ) .Ở máy thu tín hiệu từ mỗi người sử dụng được trích ra bằng cách nhân tín hiệu tới với cùng dãy PRS giống hệt vậy và tích phân trên chu kỳ symbol thông tin .Tuy nhiên quá trình này là không trực giao trong kết nối ngược làm cho các người sử dụng xuất hiện như nhiễu đối với nhau.Thông luợng kênh của hệ thống là cực đại khi số người sử dụng là cực đại, dẫn đến mức nhiễu rất cao,điều này làm cho hệ thống mẫu cần hoạt động với tỷ số năng luợng trong một bit/nhiễu ERNR(Energy per Bit to Noise Ratio) là khoảng 5-8 dB sau giải điều chế có hiệu quả phổ cao vì SNR là quá thấp . OFDM thì nó lại khác vì nó giảm thiểu cả hai ảnh hưởng này. Multipath bị giảm thiểu bằng cách dùng tốc độ symbol thấp và dùng khoảng bảo vệ .Cân bằng kênh có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách dùng các symbol pilot hoặc các tone pilot .Dạng cân bằng này là chính xác và dẫn đến lỗi tại chỗ cực tiểu , như vậy cho phép SNR trung bình cao .Ngoài ra , những người sử dụng trong OFDM được duy trì trực giao với nhau nhờ dùng ghép kênh theo thời gian hoặc ghép kênh theo tần số đồng bộ ,giảm thiểu can nhiễu giữa những người sử dụng.Cả hai ưu điểm này có nghĩa rằng SNR kênh hiiệu quả cao có thể được duy trì thậm chí trong môi trường nhiều người sử dụng multipath .Tiềm năng này cho SNR cao có nghĩa rằng các sơ đồ điều chế bậc cao có thể được sử dụng trong các hệ thống OFDM, cho phép cải thiện hiệu quả phổ của hệ thống . Hơn nữa mỗi tải phụ có thể được phân một sơ đồ điều chế khác nhau dựa trên các điều kiện kênh thực tế đo được .Các phép đo này có thể đạt được dễ dàng như một phần của bước kênh cân bằng kênh, cho phép các tải phụ được phân phối động các sơ đồ điều chế dựa trên SNR của mỗi tải phụ .Những sự thay đổi SNR này xuất hiện do can nhiễu, khoảng cách truyền, fading chọn lọc tần số v.v..Kỹ thuật này được biết như điều chế thích nghi. Các tải phụ với SNR thấp có thể được phân phối dùng BPSK (1b/s/Hz) hoặc để không truyền dữ liệu. Các tải phụ SNR cao có thể truyền các sơ đồ điều chế cao như 256-QAM (8b/s/Hz),cho phép công suất hệ thống cao hơn .Việc phân phối điều chế linh hoạt trong OFDM cho phép chúng được tối ưu các điều kiện thực tế của địa phương ,hơn là dùng sơ đồ điều chế thấp để đảm bảo hệ thống hoạt động trong các điều kiện xấu nhất . 4.7.4 MÃ GRAY Giản đồ IQ cho sơ đồ điều chế chỉ ra vecto truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu .Mỗi liên hợp từ 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 vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn .Mã này giúp giảm thiểu tỉ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn. Hình Mã Gray cho 16-PSK. Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK(QPSK, 8-PSK , 16-PSK…) và QAM (16-QAM ,256-QAM…) Decimal Gray Coding 0 0,0,0,0 1 0,0,0,1 2 0,0,1,1 3 0,0,1,0 4 0,1,1,0 5 0,1,1,1 6 0,1,0,1 7 0,1,0,0 Decimal Gray Coding 8 1,1,0,0 9 1,1,0,1 10 1,1,1,1 11 1,1,1,0 12 1,0,1,0 13 1,0,1,1 14 1,0,0,1 15 1,0,0,0 Hình 4.7.4h1 Giản đồ IQ của 16 – PSK khi dùng mã Gray.Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn . Hình 4.7.4 h2: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế được sử dụng trong mô phỏng OFDM. 4.7.5 ĐIỀU CHẾ KẾT HỢP Điều