Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (848.63 KB, 103 trang )
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn
sóng mang. Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả
năng chịu ISI rất tốt.
Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống
OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trớc mỗi symbol . Dải bảo vệ
của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần đầu
hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó. Thờng thì ngời ta hay
dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó. Khi đó khoảng bảo
vệ GI đợc gọi là CP (Cyclic Prefix). Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian
truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Nh đã đề cập ở
trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một phần
symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn đợc liên tục, không có sự
ngắt quãng giữa các symbol. Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi do sự
xê dịch thời gian ở máy thu.
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian
Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng symbol
để lấy ra đợc biên độ và pha của sóng mang con. Với các hệ thống OFDM có
tốc độ lấy mẫu nh nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thớc FFT phải nh
nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì đợc tính trực giao giữa
các sóng mang con. Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu đợc 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 tởng
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 symbol. Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh
truyền nào là lý tởng, 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 đợc. Lợng quay pha này tỷ lệ với tần số
của sóng mang con. Giả sử lợng thời gian xê dịch là nh nhau với các symbol
32
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
khác nhau, khi đó lợng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng đợc loại bỏ bởi
bớc cân bằng kênh truyền. Trong môi trờng đa đờng, dải bảo vệ càng lớn thì
ISI càng đợc loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian càng đợc giảm thiểu.
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của một sóng mang con phải
đợc giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì đợc sự
trực giao giữa các sóng mang con. Nếu biên độ và pha của sóng mang con bị
biến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con
không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất
hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa các
sóng mang con (ICI). Tại biên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi
đột ngột tới giá trị mới tơng ứng với symbol mới. Trong môi trờng đa đờng,
ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lợng giữa các symbol với nhau, do đó sẽ có sự
thay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm bắt đầu
của symbol. Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tại thời điểm bắt
đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và pha thực sự của nó. Biên độ
và pha này sẽ liên tục thay đổi dới sự tác động của các thành phần đa đờng.
Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn của
kênh truyền. Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện
FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi
nhận diện pha và biên độ sóng mang. Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa đờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có
thể đợc hiệu chỉnh bởi bớc cân bằng kênh truyền. Việc chèn thêm dải bảo vệ
đã giải quyết đợc phần lớn các ảnh hởng do ISI gây ra với tín hiệu thu, nhng
dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không vợt quá phạm vi của
nó. Trong thực tế, các thành phần đa đờng suy giảm rất chậm theo thời gian,
trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý (dải bảo vệ càng lớn thì
hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không thể loại bỏ triệt để ảnh
hởng của ISI lên tín hiệu thu.
33
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hình 2-8 Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ
Hình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việc
trong môi trờng đa đờng. Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa đờng
suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu. Quan sát trong khoảng thời
gian 16 mẫu, tơng đơng với 99% tổng năng lợng của các đáp ứng xung thu
nhận đợc. Hình trên cho thấy tơng quan giữa tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)
hiệu dụng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm kênh truyền. S/N hiệu dụng là tỷ số tín
hiệu trên tạp âm tại máy thu sau bớc giải điều chế. Nói một cách ngắn gọn,
S/N hiệu dụng đại diện cho chất lợng thông tin thu nhận, S/N kênh truyền đại
diện cho chất lợng kênh truyền. Dễ thấy là S/N hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ
hơn S/N kênh truyền, do S/N hiệu dụng còn phải chịu các ảnh hởng do hiện tợng đa đờng gây ra. Ngời ta thờng dùng tỷ số lỗi bit (BER) để đánh giá chất lợng thông tin của một hệ thống. Tuy nhiên ở đây ta xem xét hệ thống OFDM
một cách tổng thể, độc lập với phơng thức điều chế sóng mang nên ta dùng
S/N để đánh giá chất lợng thông tin của hệ thống. BER ứng với một phơng
thức điều chế cụ thể sẽ đợc suy ra từ S/N hiệu dụng.
Kết quả mô phỏng cho thấy, S/N hiệu dụng tỷ lệ với S/N kênh truyền.
Điều này là hợp lý bởi nếu chất lợng kênh truyền đợc cải thiện thì chất lợng
thông tin thu đợc cũng sẽ đợc cải thiện. Ta có thể nhận thấy, dải bảo vệ càng
lớn thì S/N hiệu dụng càng đợc cải thiện. Với S/N kênh truyền bằng 45dB, nếu
34
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
dải bảo vệ chỉ dài 4 mẫu thì S/N hiệu dụng bằng 15dB, trong khi nếu tăng dải
bảo vệ lên 16 mẫu thì S/N hiệu dụng đạt tới 25dB. Nh vậy dải bảo vệ càng lớn
thì năng lợng ISI bị lọc bỏ càng lớn. Tuy nhiên với độ dài dải bảo vệ là 16
mẫu nh trên thì ảnh hởng của ISI vẫn còn rất đáng kể. Với cùng điều kiện về
trễ truyền dẫn và độ dài dải bảo vệ, S/N hiệu dụng còn có thể đợc cải thiện
bằng cách sử dụng các phơng thức điều chế sóng mang đơn giản nh BPSK,
QPSK. Nhng nh thế đồng nghĩa với việc hiệu quả sử dụng phổ tần số sẽ thấp
hơn là dùng các phơng thức điều chế cấp cao khác. Để đạt đợc hiệu quả sử
dụng phổ tần số cao, trong khi S/N hiệu dụng đạt mức 35dB thì độ dài tối
thiểu của dải bảo vệ phải là 64 mẫu.
Trên cùng là kết quả mô phỏng của 2 hệ thống có cùng độ dài dải bảo vệ
là 64 mẫu, một hệ thống chạy 80 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là
128, và hệ thống còn lại chạy 320 sóng mang với số điểm thực hiện IFFT là
512. Nh vậy 2 hệ thống có cùng một băng thông. Đáp ứng kênh truyền với hệ
thống 320 sóng mang bằng phẳng hơn nên cho SNR hiệu dụng cũng tốt hơn.
Tăng số sóng mang con sẽ cải thiện chất lợng thông tin của toàn hệ thống.
Tuy nhiên, đến một mức độ nào đó thì tăng số sóng mang con lại làm giảm
chất lợng thông tin. Vấn đề này ta đã đề cập đến ở các mục trớc và sẽ còn tiếp
tục đợc làm rõ ở các mục sau.
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang :
Chèn dải bảo vệ sẽ làm chậm tốc độ symbol nhng không ảnh hởng đến sự
phân cách giữa các sóng mang tại máy thu. Khoảng cách giữa các sóng mang
quyết định bởi tốc độ lấy mẫu và số điểm thực hiện FFT tại máy thu :
f =
FS
N FFT
Trong đó:
f là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (Hz).
FS là tốc độ lấy mẫu (Hz).
NFFT là số điểm thực hiện FFT
35
Đồ án tốt nghiệp
2.4
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM
Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóng
mang con dạng sin đã đợc qua điều chế. Mỗi sóng mang con đợc đặt trong
một cửa sổ thời gian dạng chữ nhật. Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM
symbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đợc tạo ra. Hình dới
đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang con OFDM sử dụng phơng
thức điều chế PSK. Biên độ của sóng mang là không đổi, nhng pha thay đổi
theo symbol. Kết quả là tại biên giới giữa các symbol có sự thay đổi pha đột
của sóng mang. Kết quả của sự đổi pha đột ngột trong miền thời gian là sự
phân tán năng lợng giữa các symbol trong miền tần số.
Hình 2-9 Dạng sóng trong miền thời gian của sóng mang con
Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM cha qua lọc. Ta thấy với trờng hợp
tín hiệu gồm 1536 sóng mang con có sự suy giảm của các búp sóng phụ nhanh
hơn trờng hợp 52 sóng mang con. Tuy nhiên năng lợng của các búp sóng phụ
trong trờng hợp này vẫn rất còn đáng kể ở khá xa khối phổ của các búp sóng
chính. Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông của tín hiệu, giảm hiệu quả
sử dụng phổ tần số. Có 2 kỹ thuật phổ biến dùng để lọc bỏ các búp sóng phụ
tới mức có thể chấp nhận đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng cos
nâng (raised cosin).
36
Đồ án tốt nghiệp
Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Hình 2-10 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con
Hình 2-11 Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con
2.4.1 Lọc thông dải
Khi tín hiệu số đợc chuyển sang dạng tơng tự để truyền dẫn thì bộ lọc đợc dùng để tránh tạp (aliasing). Tạp là hiện tợng tín hiệu sai xuất hiện khi
tín hiệu tơng tự đợc số hoá. Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ đợc các búp
sóng phụ của tín hiệu OFDM. Lợng búp sóng phụ đợc lọc bỏ phụ thuộc vào
độ nhọn của bộ lọc đợc sử dụng. Nhìn chung các bộ lọc số cho độ chính xác,
độ dốc đặc tuyến lọc cũng nh tính thích nghi cao hơn các bộ lọc tơng tự. Do
đó trong hệ thống OFDM sử dụng các bộ lọc số sẽ rất hiệu quả trong việc hạn
dải tín hiệu. Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến dạng sự phân bố
phổ tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợc
gọi là bộ lọc số. Hình 2-12 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua
bộ lọc. Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc thông dải.
ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phơng pháp cửa sổ để tổng hợp. Thực tế là
bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn các búp sóng phụ, nhng đồng nghĩa với nó là
37