Tải bản đầy đủ

Thực hiện hệ thống OFDM sử dụng phương pháp mô hình hóa LDPC trên kênh truyền rayleigh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

----

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Thông tin di động
Đề tài 13 : Thực hiện hệ thống OFDM sử dụng phương pháp mô hình
hóa LDPC trên kênh truyền Rayleigh
Nhóm 1
Lớp
Điện tử 02-K60

1


CHƯƠNG 1
TỒNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.


1.2.

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
đã được đề xuất và chuẩn hóa cho truyền thông tốc độ cao. Một số ứng dụng
của OFDM có thể kể đến là truyền hình số DVB, phát thanh số DAB, mạng
LAN không dây…
OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang,
trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các
sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà vẫn có thể khôi phục lại tín
hiệu ban đầu, điều này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường.
Ngày nay kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến, các hệ thống này còn được gọi là COFDM.
Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh
với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi do đường truyền.
Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, nhóm chúng em sẽ đi nghiên cứu, đánh
giá hiệu quả của sự kết hợp giữa mã LDPC- mã sửa sai có ma trận kiểm tra mật
độ thấp (một loại mã kênh) và hệ thống OFDM
Sơ đồ khối hệ thống

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống LDPC-OFDM

2


CHƯƠNG 2
MÃ SỬA SAI CÓ MA TRẬN KIỂM TRA MẬT ĐỘ
THẤP LDPC
2.1.
Sự phát triển của mã sửa sai.
- Năm 1948 Claude E. Shannon đã phát hành những công trình nghiên cứu về lý

thuyết toán học trong công nghệ truyền thông. Trong các công trình này Shannon
phát triển các mô hình thuật toán cho phép giải quyết các vấn đề cơ bản trong
truyền dẫn tín hiệu.

Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền tin số
-

Nguồn tin: nơi tạo ra tập tin M, với xác suất là (M=m). Entropy của M được xác
định như sau:

-

Mã hóa nguồn: bộ mã hóa loại bỏ những thông tin dư thừa của chuỗi đầu vào.
Mã hóa kênh: ghép thêm thông tin dư thừa vào chuỗi dữ liệu đầu vào. Mục đích
của việc làm này nhằm tăng khả năng tái tạo dữ liệu bị can nhiễu ở phía đầu thu.
Kênh: hàm xác suất truyền dẫn của kênh được định nghĩa là (Y/X). Trong đó kênh
truyền dẫn là kênh không nhớ.
Có hai dòng mã sửa sai chính là mã chập (convolution coding) và mã khối (block
coding). Trong đó các bộ mã hóa khối được sử dụng nhiều hơn trong thực tế.
Có hai loại mã hóa chính được quan tâm và phát triển là mã Turbo và mã LDPC
• LDPC có khả năng sửa lỗi cao hơn so với Turbo khi truyền dẫn qua các
kênh truyền có phân bố tạp âm trắng kiểu Gauss AWGN

-

3


So sánh với Turbo thì LDPC không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng sàn lỗi
(Error Floor), hiện tượng này làm tỉ lệ lỗi bit phía đầu ra (BER) không thể
giảm xuống giá trị cực nhỏ mặc dù tỉ số Eb/No được tăng lên khá nhiều.
• Độ phức tạp của LDPC thấp hơn Turbo.
2.2.
Khái niệm
a) Khái niệm
Mã LDPC (Low Density Parity Check Code) mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp,
hay còn gọi là mã Gallager, được đề xuất bởi Gallager vào năm 1962.Về cơ bản
đây là một loại mã khối có tuyến tính có đặc điểm là các ma trận kiểm tra chẵn lẻ
H là các ma trận thưa, tức là có hầu hết các phẩn tử là 0, chỉ một số ít là 1.
b) Mã LDPC đều
Theo định nghĩa của Gallager, ma trận kiểm tra chẵn lẻ LDPC còn có đặc điểm
là mỗi hàng chứa đúng i phần tử 1 và mỗi cột chứa đúng j phần tử 1, một mã
LDPC như vậy sẽ được gọi là một mã LDPC đều (n, i, j), trong đó n là độ dài khối
của mã và cũng chính là số cột của ma trận H
c) Mã LDPC không đều
Từ định nghĩa ban đầu của Gallager, Luby cùng các tác giả khác đã đánh dấu
một bước tiến quan trọng của mã LDPC trong việc đưa ra khái niệm mã LDPC
không đều. Đặc điểm của mã này là trọng lượng hàng cũng như trọng lượng cột
không đồng nhất. Các kết quả mô phỏng cho thấy mã LDPC không đều được xây
dựng phù hợp có đặc tính tốt hơn các mã đều. Tiếp theo đó, Davey và Mackay các
mã không đều trên GF(q) vời q>2. Theo các tác giả này, khả năng kiểm soát lỗi
của loại mã trên GF(q) được cải thiện đáng kể so với các mã trên GF (2).
d) Biểu diễn mã LDPC bằng đồ hình


Hình 2.2: Đồ hình Tanner
- Mã LDPC có thể được mô tả bởi một đồ hình được biết tới với tên gọi là đồ hình
Tanner. Đồ hình Tanner là một biểu đồ gồm có hai nhánh (bipartide diagram) bao
gồm hai nhóm nodes. Một nhóm là các node kiểm tra (check nodes), một nhóm là
các node biến số (variable nodes). Nút biến số biểu thị các bit từ mã, trong khi các
node kiểm tra biểu thị phương trình kiểm tra chẵn lẻ.
4


- Cho một mã LDPC (n, k) trong đó sẽ bao gồm n bút biến số và (n-k) nút kiểm
tra. Mối quan hệ giữa các node kiểm tra và node biến số được xác định bởi ma trận
kiểm tra chẵn lẻ H

-

Một chu kì có độ dài n (số cột của ma trận H) trong đồ thị Tanner là một đường
dẫn bắt đầu và kết thúc trong cùng một nút và bao gồm n cạnh.

2.3.

Mã hóa mã LDPC
2.3.1. Mã hóa dùng ma trận sinh G
Các mã LDPC được định nghĩa trên cơ sở là ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, từ ma
trận H ta xây dựng ma trận sinh G theo phương pháp khử Gauss-Jordan. Phương
pháp này đưa ma trận H về dạng:
H=[]
Với P là ma trận kích thước (n-k)*k và là ma trận đơn vị kích thước (n-k)*(n-k).
Ma trận sinh G được xác định theo công thức:
G=[]
Quá trình mã hóa đến đây chỉ đơn thuần là thực hiện phép nhân giữa ma trận hàng
đơn biểu thị chuỗi tin đầu vào với ma trận sinh tìm được.

-

-

-

2.3.2. Mã hóa LDPC dùng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H
-

-

Khác với phương pháp trên là tìm ma trận G từ ma trận H cho trước sau đó thực
hiện mã hóa với G. Một mã LDPC cũng có thể được mã hóa bằng việc sử dụng
trực tiếp ma trận H nhờ biến đổi về dạng gần tam giác dưới. Ý tưởng của phương
pháp này là sử dụng chủ yếu các hoán vị hàng và cột sao cho vẫn giữ được đặc
điểm thưa của ma trận H.
Trước hết chỉ hoán vị hàng và cột để đưa ma trận về dạng gần như tam giác dưới.

3.
-

Với T là ma trận tam giác dưới, nghĩa là T có giá trị 1 trên đường chéo từ trái qua
phải, các phần tử ở trên đường chéo bằng không, kích thước (m-g) *(m-g). B là ma
trận kích thước (m-g) *g và A là ma trận kích thước (m-g) *k, C có kích thước là
g*k và D có kích thước là g*g, E có kích thước là g*(m-g). Trong đó k là chiều dài
5


bản tin, n là độ dài khối của mã, m là số bit kiểm tra m=n-k và gọi g là gap, nói
một cách gần đúng thì g càng nhỏ độ phức tạp của mã hóa càng thấp.
2.4 Giải mã mã LDPC

-

Sau khi Mackay và Neal chứng minh tính vượt trội của LDPC thì đã có nhiều
phương pháp giải mã ra đời như thuật toán truyền Belief BPA, MPA- thuật toán
chuyển tin…và một số thuật toán khác
Phương pháp tổng tích (SPA)
a) Thuật toán MPA
Hiện nay rất nhiều hướng được đặt ra nhằm giảm sự phức tạp của thuật toán, và
MSA cũng là một trong số đó, MSA được hình thành trên cơ sở phát triển thuật
toán SPA, thuật toán mà Mackay-Neal đã sử dụng để chứng minh LDPC có thể
tiệm cận giới hạn Shannon. Do đó để tiện cho việc tìm hiểu MSA chúng ta khái
quát lại thuật toán SPA

6


b) Một số đặc điểm của thuật toán giải mã MSA
-

-

-

-

Sự phức tạp của quá trình tính toán với MSA có khả năng giảm sự phụ thuộc vào
kênh truyển đổi, điều này thể hiện ở chỗ không cần kể tới thông tin về , đây chính
là ưu điểm nổi trội của thuật toán này so với SPA
Với SPA ta phải tính xác suất xuất hiện từ mã đối với bằng việc sử dụng phép
nhân, trong thuật toán nhân chỉ phải tính giá trị min (x)- giá trị từ mã nhỏ nhất
bằng các phép cộng và so sánh nên khối lượng tính toán giảm đi nhiều.
 Khi sử dụng thuật toán MPA có thể giảm khối lượng tính toán rất nhiều so
với thuật toán SPA.
2.5 Kết luận
Ý nghĩa:
• Vai trò đặc biệt quan trọng trong truyền dẫn thông tin số.
• Tăng khả năng tái tạo dữ liệu ở phía thu.
Bài toán đặt ra:
7


Tối ưu thuật toán giải mã để tăng khả năng sửa lỗi của mã, hoặc giảm độ
phức tạp của quá trình giải mã.
• Xây dựng được một bộ giải mã với khả năng sửa lỗi tốt nhất với độ phức
tạp của quá trình mã hóa, giải mã có thể chấp nhận được.
• Xây dựng, tối ưu hóa những mô hình tích hợp mã có khả năng chống lỗi tốt
nhất mà độ phức tạp của hệ thống có thể chấp nhận được.


CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG OFDM
3.1.
Giới thiệu chung về kỹ thuật OFDM
- OFDM là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing có thể được

-

3.2.
-

tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. OFDM nằm trong một
lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn
trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến
dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài
báo của R.W. Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế
khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ
thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử
lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi
thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên
một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này
được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
Các khái niệm liên quan đến OFDM
3.2.1. Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên
nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại
với nhau theo kiểu FDM.

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang
8


3.2.2. Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
-

Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin
trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi
kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu
ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời
trong không gian, thời gian.

Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số
-

Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân
cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen
giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.

3.3.

Hệ thống OFDM
3.3.1. Mô hình hệ thống OFDM

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống OFDM
3.3.2. Nguyên lý hoạt động
9


-

-

-

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song với tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P (bộ chuyển đổi nối tiếp - song
song), mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán FEC và
được sắp xếp một cách hỗn hợp.
Tiếp theo, những ký tự hỗn hợp này được đưa tới đầu vào của khối IFFT, khối này
sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Sau đó ta sẽ thêm khoảng bảo vệ vào để làm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền
trên các kênh vô tuyến di động đa đường.
Bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đối lên tần sô cao
để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như
nhiễu gauss trắng cộng AWGN
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được
tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ và các mẫu được chuyern từ miền
thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT.
Sau đó tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về viên độ và pha của
sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (chanel Equalization).
Các ký tự hôn họp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lịa và được giả mã. Cuối
cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM
3.4.1. Mã hóa sửa sai trước FEC
- Được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong
giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị của tỷ số Eb/No (SNR), điều
này được thể hiện rõ ở việc kênh truyền bị tác động cảu AWGN, mã FEC đc chia
thành 2 loại chính.
+ Mã khối (block coding)
+ Mã chập (convolutional coding)
+ Ngoài ra người ta còn dùng mã hóa Trellis (là một dạng của mã chập nhưng có thêm
phần mã hóa, bên thu có thế dùng thuật toán Virterbi)
3.4.2. Phân tán kí tự
- Do fading lực chọn tần số của các kênh vô tuyến điển hình làm cho những sóng
mang phụ ít tin câyj hơn những sóng mang khác. Vì vậy tạo ra các chumg lỗi bit
lớn hơn được phân tán một cách ngầy nhiên. Hầu hết các mã sửa lỗi không đc thiết
kế để sửa lỗi chùm. Do đó, bộ phân tán kí tự được tạo ra nhằm ngẫu nhiên hóa sự
xuất hiện của những bit lỗi trc khi giải mã. Tại bộ phát, bằng cách nào đó người ta
hoán vị những bit đã mã hóa sao cho nhưng bit kề nhau bị cách nhau nhiều bit. Tại
bộ thu, việc hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã.
3.4.3. Sắp xếp
- Về nguyên tắc, có thể áp dụng bất kỳ phương pháp điều chế nào cho mỗi sóng
mang. Dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ
3.4.

10


-

-

-

ra. Tức là dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4,
8) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64- QAM
Nói chung, mô hình điều chế tùy thuộc vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc dộ
truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Một ưu điểm đặc biệt hứa hẹn cho các ứng
dụng đa phương tiện sau này là mô hình điều chế khác nhau có thể đc áp dụng cho
các kênh khác nhau, chẳng hạn cho các lớp dịch vụ khác nhau.
3.4.4. Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song
nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ ta cần một
máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong những trường
hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên sẽ không hiệu quả, nhiều khi là
không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng
biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin,
bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ.
FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi
DFT/IDFT nhanh và gọn hơn.
Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM
• Tại máy phát, tín hiệu được định nghĩa trong miền tần số, là tín hiệu số đã
được lấy mẫu, và được định nghĩa như phổ Fourier rời rạc tồn tại chỉ tại tần số
rời rạc. Mỗi sóng mang OFDM tương ứng với một phần tử của phổ Fourier rời
rạc. Biên độ và pha của các sóng mang phụ thuộc data được truyền. Sự chuyển
tiếp data được đồng bộ tại các sóng mang, và có thể xử lý cùng nhau, symbol
by symbol
• Đầu tiên, data vào được chuyển từ nối tiếp sang song song và được nhóm thành
x bits dưới dạng một số phức. Số x xác định chòm sao tín hiệu của sóng mang
tương tứng, như 16-QAM hoặc 32-QAM. Số phức được điều chế trong băng
gốc bằng thuật toán IFFT và được chuyển trở lại thành data nối trên đường
truyền. Khoảng bảo vệ được chèn vào giữa các ký tự để tránh ISI. Các ký tự
rời rạc được chuyển thành analog và LPF đối với trên tần số RF.
• Máy thu thực hiên quá trình ngược lại cảu máy phat. Một bộ tạp-equalizer
được sử dụng. Hệ số tạp của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin kênh.

3.5.
Các vấn đề trong kỹ thuật OFDM
- 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 để cần phải được giải
quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM
11


-

-

-

-

-

Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng 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 hóa tín hiệu OFDM.
3.5.1. Ước lượng tham số kênh
Ước lượng kênh trong hệ thống ofdm là xác định hàm truyền đạt của các kênh con
và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế
kết hợp
Để ước lượng kênh, phương pháp phố biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường
(PSAM-Pilot signal asssited Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot
bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trc về pha và biên độ. tại bên thu
so sánh tín hiệu thu được vs tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của
các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có có thể được phân tích
trong miền thời gian và trong miền tần số. trong miền thời gian thì các đáp ứng
xung h(n) của các kênh được ước lượng. trong miền tần số thì các đáp ứng tần số
H(k) của các kênh con đươc ước lượng. có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử
dụng PSAM
Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn
chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống
OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian –
tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn
sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ
thống.
Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ lọc ước lượng kênh: phải đảm bảo được độ phức
tạp của 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) và các chi tiêu hệ thống là hai yêu
cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý
lỗi bình phương nhỏ nhất- MSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-Wiener filter) có
chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng lại rất phức tạp. vì vậy, khi thiết kế cần phải dung
hòa hai yêu cầu trên.
3.5.2. Đồng bộ trong 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. Tuy
nhiên, một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị
ảnh hưởng bởi lỗi do vấn đề đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính
12


trực giao của các sóng mang con. Trong hệ thống OFDM, người ta thường xét đến
ba loại đồng bộ: đồng bộ ký tự (Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng
mang (Carrier synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling-clock
synchronization).
3.5.2.1.

Đồng bộ kí 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.
a) Lỗi định thời – Timing error
Lỗi định thời gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu của ký tự thu được. Nó gây nên độ
quay pha của các sóng mang con, sự quay pha này sẽ lớn nhất tại các vị trí rìa băng. Nếu
lỗi định thời đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong độ lớn của thành
phần CP trong tín hiệu OFDM thì tính trực giao vẫn được bảo toàn và 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.
Có hai phương pháp chính để thực hiện đồng bộ thời gian. Đó là phương pháp đồng bộ
dựa vào các tín hiệu dẫn đường (pilot) và phương pháp dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic
Prefix).
 Đồng bộ thời gian dựa trên tín hiệu pilot: Thuật toán đồng bộ thời gian dựa vào

tín hiệu pilot được giới thiệu lần đầu bởi Warner và Leung năm 1993 [1], dùng cho
các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức là các hệ thống sử dụng OFDM được
truyền dưới dạng điều tần FM. Theo đó, phía phát sẽ mã hoá một số kênh con
dành riêng với tần số và biên độ biết trước. Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để
có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ.
Thuật toán đồng bộ bao gồm ba giai đoạn [1]: nhận biết công suất (power
detection), “đồng bộ thô” (coarse synchronization) và “đồng bộ tinh” (fine
synchronization).
- Giai đoạn nhận biết công suất cho phép xác định có hay không tín hiệu OFDM
tại đầu vào máy thu, bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng.
- Trong giai đoạn đồng bộ thô (coarse synchronization), tín hiệu sẽ được đồng bộ
bước đầu với độ chính xác là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Tuy độ chính xác về
đồng bộ trong bước này không cao, nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ
13


trong bước tiếp theo. Bước “đồng bộ thô” được thực hiện bằng cách cho tương quan giữa
tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (đã xác định trước) rồi tìm đỉnh tương
quan. Để đảm bảo tính chính xác trong việc ước lượng đỉnh tương quan, một bộ lọc số
được sử dụng để cung cấp các giá trị dữ liệu nội suy. Đồng thời, tần suất ước lượng các
điểm tương quan phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu
- Bước cuối cùng trong thuật toán là đồng bộ tinh (fine synchronization). Các kênh
con cùng các tín hiệu dẫn đường được cấn bằng với các kênh đã được ước lượng thông
qua chuỗi huấn luyện. Do độ chính xác thời gian đồng bộ đảm bảo nhỏ hơn 0,5 mẫu tín
hiệu nên đáp ứng xung của kênh sẽ nằm trong khoảng thời gian của CP (vì thời khoảng
CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung ít nhất là 1 mẫu).
 Đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Thực chất của phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp, là chèn vào các
thời điểm ban đầu của các ký hiệu OFDM thứ N một chuỗi bảo vệ GI (Guard interval).
Chuỗi bảo vệ, là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG, lấy ở phía cuối một mẫu tín hiệu OFDM
có độ dài TFFT (hình 2.1) được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu OFDM này.
Trong khoảng thời gian GI này máy thu sẽ không xử lý các tia phản xạ (của ký hiệu
OFDM trước đó) đến trễ hơn khoảng thời gian cho phép, và như vậy nó có tác dụng
chống lại nhiễu xuyên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc
này được giải thích như sau:
Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng ký tự để lấy ra
được biên độ và pha của sóng mang con. Với các hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu như
nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước FFT phải như nhau cho cả tín hiệu phát và
tín hiệu thu nhằm duy trì được tính trực giao giữa các sóng mang con. Do chèn thêm dải
bảo vệ mỗi ký tự thu được có thời gian lấy mẫu là TG + TFFT, trong khi máy thu chỉ cần
giải mã tín hiệu trong khoảng thời gian TFFT. Do đó khoảng thời gian TG là thừa. Với một
kênh truyền lý tưởng không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê
dịch nào về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng
ngăn cách nào giữa các ký tự. Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý
tưởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn. Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê
dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu
được. Lượng quay pha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con. Giả sử lượng thời gian xê
dịch là như nhau với các ký tự khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian dễ
dàng được loại bỏ bởi bước cân bằng kênh truyền. Trong môi trường đa đường, dải bảo
vệ càng lớn thì ISI càng được loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian cũng được giải
quyết.
Điều kiện quyết định để đảm bảo cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI
và loại bỏ lỗi xê dịch thời gian là T G ≥ τmax. Trong đó: τmax là trễ truyền dẫn lớn nhất trong
14


kênh truyền. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ GI không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu
η=

của hệ thống sẽ bị suy giảm đi một hệ số là [3]:

15

TFFT
TFFT + TG


H

Hình 3.4: Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ GI
Dù việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi có thể làm cho
hiệu suất truyền tin bị giảm đi. Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã
làm cho việc sử dụng kỹ thuât này trở nên rất phổ biến mà trong hệ thống OFDM nào
cũng phải sử dụng. Việc nhận dạng khoảng bảo vệ ở phía thu có thể được phân tích như
sau [1]: với N là số sóng mang nhánh. N cũng bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần
có ích của ký tự OFDM (không kể CP). Khi đó: Nếu r(m) và r(m+N) tương ứng với các
mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự OFDM, chúng phải là bản
sao của nhau nên công suất của d(m) = r(m) - r(m+N) thấp. Mặt khác, r(m) và r(m+N)
không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự,
do d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan, nên công suất trung bình của
d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của ký tự OFDM.
Nếu sử dụng một “cửa sổ” trượt có độ rộng đúng bằng khoảng thời gian của CP (tức
là điểm cuối của cửa sổ trùng vào điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì khi cửa sổ này
trùng với thành phần CP của ký tự 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 ký tự
OFDM, đồng bộ thời gian được thực hiện.
b) Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn
định của bộ dao động thu hoặc phát. Mô hình, các phân tích, đánh giá về hiện tượng này
được trình bày trong nhiều tài liệu. Theo đó, nhiễu pha sóng mang được coi như một quá
trình Wiener. Các đánh giá phân tích về nhiễu pha sóng mang được đề cập thêm trong
phần đồng bộ tần số sóng mang của tiểu luận này.
3.5.2.2.

Đồng bộ tần số sóng mang
16


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 đơn sóng mang truyền thống bị giảm
đi đáng kể. Trong hệ thống OFDM, do tính trực giao của các sóng mang con đòi hỏi rất
chặt chẽ nên việc đồng bộ giữa các sóng mang cũng cần được hết sức quan tâm để đảm
bảo cho việc phục hồi tín hiệu. Có hai nguyên nhân chính dẫn đễn việc mất đồng bộ sóng
mang, đó là: Sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu tại máy thu
không nằm đúng vào đỉnh của xung sinc [sinc (x) = sin x / x]) và nhiễu kênh lân cận
ICI....)

Hình 3.5: Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang
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.
a) Lỗi tần số

Lỗi tần số là sự lệch tần số gây ra bởi sai khác giữa hai bộ 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. Sự suy giảm tỉ số tín trên tạp D(dB) đã được Pollet đánh
giá và phân tích thông qua biểu thức sau:
2



D(dB)

10
( π .∆f ) 2 = 10  π N .∆F  ES
3 ln10
3 ln10 
W  N0

Trong đó: ΔF là độ lệch tần số
N: số sóng mạng con

17


W: độ rộng băng tần

Hình 3.6: Suy giảm SNR do lệch tần số (phân tích trên cơ sở nhiễu AWGN)
Theo đánh giá này, để đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ thống, thì độ bất ổn định
trong đồng bộ tần số sóng mang của hệ thống phải thấp hơn 2%

b) 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. Vì đồng bộ tần số là
yêu cầu cốt yếu của hệ thống thông tin đa sóng mang nên đây là một trong những vấn đề
được quan tâm nghiên cứu rộng rãi.
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
18


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.
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 chuỗi giả ngẫu nhiên PN
hoặc tín hiệu chip [1]. 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.
Tín hiệu dẫn đường được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín
hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT. Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết
trước cả ở phía phát và phía thu và được phát đi cùng nguồn tín hiệu có ích với nhiều
mục đích khác nhau như khôi phục kênh truyền, đồng bộ hệ thống, trong đó có vai trò
đồng bộ tần số.

Hình 3.7: Mô hình chèn mẫu tin dẫn đường vào tín hiệu OFDM
Mẫu tin dẫn đường được chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở trong miền tần số và
miền thời gian (hình 2.6). tuy nhiên, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp
nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số,
sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
τmax. Với rf là tỷ số lấy mẫu ở miền tần số, f S là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang
nhánh thì khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thỏa mãn điều
rf =

kiện sau [3]:

1
≥1
D f . f S .τ max

Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải bằng 1. Tỷ số này có thể lớn hơn 1,
khi đó số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt
mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không
thỏa mãn điều kiện lấy mẫu đã nêu ở trên thì kênh truyền không thể khôi phục đượchoàn
toàn thông qua mẫu tin dẫn đường.
Tương tự như ở miền tần số, ở miền thời gian, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn
đường liên tiếp Dt cũng phải thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn lấy mẫu trên miền thời gian.
Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler f D
19


. Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian thì khoảng cách D t phải thỏa mãn điều kiện
sao cho tỷ số lấy mẫu trên miền thời gian rt ≥ 1 như sau:
max

rf =

1
≥1
2. f D max .Dt ( TS + TG )

Việc đồng bộ tần số sóng mang phía thu được thực hiện thông qua các thuật toán đánh giá
kênh truyền và ước lượng tần số. Dưới đây trình bày một số thuật toán ước lượng tần số
và đánh giá kênh truyền
 Đánh giá lỗi tần số sử dụng thuật toán ước lượng sau DFT

Cũng như thuật toán miền thời gian, việc ước lượng độ lệch tần số thực hiện sau
xử lý DFT đòi hỏi phải cần tối thiểu ký hiệu lặp lại liền nhau. Phần cấu trúc mào đầu của
hai ký hiệu này có thuộc tính phù hợp với các ký hiệu huấn luyện dài và ngắn- short and
long training symbol, điều này cho phép máy thu thực hiện việc đánh giá sai số tần số sau
quá trình xử lý DFT. Theo phân tích trong Moose [7] thì đánh giá sai số tần số theo khả
năng cực đại - maximum likelihood error estimator được thực hiện như sau:
Tín hiệu thu được trong khoảng thời gian lặp lại của hai ký hiệu (bỏ qua tạp âm)
được tính
j 2πn ( k + f ∆ )

1  K
rn =  ∑ X k .H k .e N

N k =− K


Trong đó:

n = 0, 1…, 2N-1

Xk là các ký hiệu dữ liệu phát đi
Hk là đáp ứng tần số kênh cho sóng mạng phụ thứ k;
K là tổng số các sóng mang phụ
fΔ là sai số tần số đối với khoảng sóng mang phụ.

Tính toán DFT cho ký hiệu thu đầu tiên với sóng mang phụ thứ k là:
N −1

R1,k = ∑ rn e

− j 2πkn
N

n =0

k = 0, 1…N-1

và DFT cho ký hiệu thứ hai là:
R2,k =

2 N −1

∑ rn e

n= N

− j 2πkn
N

N −1

= ∑ rn+ N e
n =0

− j 2πkn
N

k = 0, 1… N-1

Từ phương trình (*) tính cho mẫu n + N ta có:
20

(*)


rn+ N =

j 2π ( n + N )( k + f ∆ )
j 2π . n ( k + f ∆ )
 1  K
 j 2.π . f ∆
1  K
N
N
X
.
H
.
e
=
X
.
H
.
e
= e j 2.π . f ∆
∑ k k

∑ k k
e
N  k =− K
N

k =− K


Vì e j2πk = 1, thế vào biểu thức trên ta được:
R2,k =

R1,k e j 2.π . f ∆

Do các sóng mang con có độ di pha tương ứng với độ lệch tần số, nên có thể tính toán lỗi
tần số thông qua độ di pha này bằng cách sử dụng biến trung gian z:
=

z

K

∑ R1,k R2,k =

k =− K

= e j 2.π . f ∆

= e j 2.π . f ∆

z

k =− K

K

∑ R (R )

k =− K

z

∑ R (R
K

K



k =− K

1,k

R1,k

1,k

1,k

e j 2.π . f ∆

)

*

*

1,k

2

Do biến z là biến phức nên góc pha được xác định theo lỗi tần số và được ước lượng như
sau:
1
fˆ∆ = −
∠z


Kết quả nhận được tương tự như khi tính toán đối với miền thời gian.
 Bám pha sóng mang.

Ước lượng tần số không phải là một thủ tục hoàn hảo, do vậy vẫn tồn tại những lỗi
tần số mà bộ ước lượng không kiểm soát được. Sự suy giảm SNR do ICI sẽ được khắc
phục nếu bộ ước lượng được thiết kế để giảm lỗi tần số xuống dưới giới hạn yêu cầu. Vấn
đề chính của bù lệch tần số là qúa trình quay chòm sao tín hiệu. Quá trình phân tích của
bộ ước lượng lỗi tần sau DFT cũng cho thấy rằng quay chòm sao tín hiệu đối với các
sóng mang con là như nhau. Để thấy rõ hiện tượng này ta có thể sử dụng matlab để mô
phỏng quá trình điều chế QPSK trong 10 ký hiệu OFDM với lỗi tần số là 3kHz. Các đáp
ứng lỗi này chỉ tương đương với khoảng 1% phân đoạn sóng mang con, do đó ảnh hưởng
lên SNR là không đáng kể. Tuy nhiên quá trình mô phỏng cho thấy: chỉ sau đúng 10 ký
hiệu, các điểm tín hiệu của mỗi chòm sao đã vượt quá ra khỏi biên quyết định, do đó
không thể thực hiện giải điều chế chính xác được nữa. Để khắc phục hiện tượng này
người ta sử dụng phương pháp bám pha sóng mang.
21


 Bám pha sóng mang với dữ liệu trợ giúp.

Phương pháp bám pha đơn giản nhất là có sự trợ giúp của dữ liệu. Theo chuẩn
IEEE 802.11a và HiperLAN/2, bốn sóng mang con được xác định trước trong quá trình
truyền dữ liệu. Những sóng mang con đặc biệt này được gọi là sóng mang con dẫn đường
- pilot subcarriers, có nhiệm vụ chính là giúp máy thu bám được pha sóng mang. Sau qúa
trình DFT của ký hiệu thứ n, các sóng mang dẫn đường R n,k được cân bằng với tích của
đáp ứng tần số kênh Hk và ký hiệu dẫn đường Pn,k
Rn ,k = H k Pn ,k e j 2.π . f∆

Giả sử ước lượng

Hˆ k

của đáp ứng tần số kênh đã biết, suy ra giá trị pha gần đúng là:

(

)

 Np

Φ n = ∠∑ Rn ,k Hˆ k Pn,k 
 k =1


Nếu giả sử rằng quá trình đánh giá kênh là hoàn toàn chính xác, ta có:
Np

Φ n = ∠e j 2.π . f ∆ ∑ H k

k =1

2





Trong trường hợp này, ta ko cần quan tâm đến khoảng [-π, π) vì dữ liệu dẫn đường đã
biết, do đó sự sai pha sẽ được tự động sửa lỗi.
3.5.2.3.

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, được gọi là phương pháp lấy mẫu đồng bộ - Synchronized
sampling, sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp
(voltage-controlled oscillator) (hình dưới).

22


Hình 3.8: Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu đồng bộ
-

Giải pháp thứ hai, lấy mẫu không đồng bộ - Non Synchronized Sampling thực hiện
xử lý số để đạt được đồng bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu.

Hình 3.9: Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu không đồng bộ
- Việc điều chỉnh xung nhịp tên bộ ADC có thể lọai bỏ hoàn toàn độ lệch tần số lấy
mẫu. Theo đó, đây là cách sửa lỗi tối ưu. Ngày nay, các máy thu được thiết kế
theo xu hướng số hóa, nghĩa là không phải tìm cách điều chỉnh nhịp lấy mẫu. Cơ
sở cho xu thế này là mong muốn đơn giản hóa phần tương tự của máy thu, bởi
thông thường, giá thành chi phí cho các phần tử tương tự, luôn đắt hơn so với các
linh kiện số. Vì thế, khi sử dụng các thạch anh cố định thay cho các bộ dao động
có thể điều khiển được người ta có thể giảm đáng kể số lượng các phần tử tương
tự, như vậy giá thành máy thu giảm đáng kể.
- Trong các máy thu lấy mẫu không đồng bộ, có thêm khối chức năng “rob/stuf” ở
phía sau bộ chuyển đổi ADC nhằm giải quyết vấn đề mất đồng bộ khoảng thời
gian lấy mẫu do hiện tượng trôi mẫu tức thời gây ra. Khi sảy ra hiện tượng này,
tùy thuộc vào việc xung nhịp của máy thu nhanh hơn hoặc chậm hơn so với xung
nhịp máy phát, khối “rob/stuf” sẽ thực hiện sao chép lại xung đồng hồ từ mẫu
trước đó hoặc mượn một mẫu từ tín hiệu thu được. Tiến trình này khắc phục được
hiện tượng trôi mẫu tức thời ở máy thu. Do đó, nó thường được dùng để sửa các
lỗi về định thời ký hiệu, đảm bảo việc đồng bộ tần số ở máy thu.
2.6.
Đặc tính kênh truyền trong OFDM
2.6.1. Sự suy giảm tín hiệu
- Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ
điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các toà nhà
cao tầng và hiệu ứng đa đường
23


2.6.2. Hiệu ứng đa đường
• Rayleigh fading
-

-

-

-

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật
cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu dẫn đến
lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm.
• Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có
sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tính hiệu đa đường
của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín
hiệu thu do nhiễu.
• Trải trễ
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản
xạ từ các vật cản như các toà nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm
hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ
giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
2.6.3. Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu
không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được
lớn hơn tần số tín hiệu phát và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số
tín hiệu thu giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
2.6.4. Nhiễu AWGN

-

-

-

Trong thực tế, đường truyền luôn luôn bị hỏng bởi nhiễu. Các mô hình toán học
thông thường là nhiễu AWGN. Đây là một mô hình rất tốt cho hệ thống thực tế
miễn là nhiễu nhiệt ở tín hiệu thu là nguồn duy nhất. Vì đơn giản của nó, nó
thường được sử dụng để mô hình nhiễu
2.6.5. Nhiễu liên kí tự ISI
2.6.6. Nhiễu liên sóng mang ICI
Hiệu quả của việc lọc một phần tín hiệu truyền qua các kênh trên chất lượng của
tín hiệu nhận được có thể được ý nghĩa rằng một hiện tượng gọi là nhiễu kênh
(ICI), ICI gây ra các xung truyền để có được sự chồng lấn với nhau, có nghĩa rằng
một xung được truyền đi giữa khoảnh khắc thời gian sẽ làm lân cận xung ảnh
hưởng đến quá trình phát hiện dữ liệu và có thể gây ra lỗi không phải là một kết
quả của nhiễu nhưng kết quả là của các biểu tượng chồng lấn với nhau. Các bộ cân
bằng trích các chuỗi biểu tượng truyền bằng cách chống lại những ảnh hưởng của
ISI do đó nâng cao khả năng phát hiện biểu tượng chính xác. Mục đích của nó là
để đảo ngược những tác động của kênh có trên các tín hiệu truyền đi với mục đích
tái tạo tín hiệu ban đầu vào cuối bộ thu.
2.6.7. Tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp CP là một kỹ thuật xử lý tín hiêu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức
thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu xuyên kênh ICI đến tín hiệu
24


OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện
kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần
lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian
bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau. Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời
gian truyền một ký tự lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ và thời gian
truyền thông tin có ích.
2.7.
Đánh giá về kĩ thuật OFDM
 Ưu điểm:
 Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Hạn chế
được ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc
tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM
khác nhau
 Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các ký tự (ISI) do sử dụng CP và giao thoa
sóng mang (ICI)
 Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc phục
được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần số
ở kênh gây ra. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc
sử dụng cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần.
 Nhược điểm:
 Hệ thống OFDM sẽ tạo ra các tín hiệu trên nhiều sóng mang, các bộ khuếch đại
công suất phát cao cần độ tuyến tính, các bộ khuếch đại công suất thu nhiễu thấp
đòi hỏi dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung
bình (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi
nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão
hoà để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ
gây nên nhiễu xuyên điều chế.
 OFDM nhạy với dịch tần 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.
 Ứng dụng:
 Phát thanh số DAB
Một kênh OFDM có thể truyền một vài chương trình phát thanh, mỗi chương trình có thể
có chất lượng thay đổi mono hay stereo. Mỗi kênh audio được mã hóa được mã hóa âm
thanh với tốc độ từ 32 Kbps đến 382 Kbps. Dòng bít này được mã hóa vòng xoắn với tốc
độ mã 1/2 và được cài xen (interleaving). Các dòng bít được ghép kênh theo thời gian và
đưa tới bộ điều chế OFDM. Tốc độ bit tổng cộng là 3.2 Mbps. Bởi vỡ tốc độ của các
kênh audio được truyền trong một kênh OFDM cũng thay đổi theo. Một hệ thống điển
hình truyền 6 kênh audio với tốc độ 192 Kbps.
 Truyền hình số DVB
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×