OFDM - OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUY CẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY - 6 potx

Bảng các từ viết tắt


làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi
truyền lan nhiều đường.

Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ.
Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở
trước của mỗi symbol. Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm
mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol. Symbol của OFDM chưa có bổ sung
khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có một
số nguyên lần các chu kỳ. Việc đưa vào các bản sao 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 để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn.
Bảng các từ viết tắt



2.4 Giới hạn băng thông của OFDM
Trong miền thời gian, OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình
sine điều chế. Mỗi symbol nằm trong 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 được
tạo ra. Thời gian truyền OFDM khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ là cố
định và pha thay đổi từ symbol này sang symbol khác 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 giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tần số.

Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông

2.4.1 Lọc băng thông
Bảng các từ viết tắt

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 bộ lọc
số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỉ lệ cắt (cut of rate) lớn hơn nhiều lọc
tương tự, do đó chúng hữu ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM.
Đáp tuyến tần số OFDM không lọc. Tín hiệu OFDM được lọc băng thông.
Các tín hiệu này được lọc bằng đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi
dùng phương pháp cửa sổ (Windowing). Do số tải phụ được dùng trong các hình là
nhỏ có thể thấy roll off của bộ lọc FIR. Trong thực tế, loại bỏ tất cả các búp sóng
bên, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và giá thành cao và nó làm giảm tỉ số tín hiệu
trên nhiễu hiệu dụng SNR của kênh 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. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối
OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ, tuy
nhiên nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng.
2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR
Việc dùng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các
búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra. Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap
cần thiết tương ứng với:
Bảng các từ viết tắt












t
t
taps
F
IFFTW
ceilN
.
.
(2.4)
Trong đó,
N
taps
: Số tạp trong bộ lọc FIR
W
t
: 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.
F
t
: Độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hóa cho khoảng cách tải phụ.
Ceil : Phép làm tròn về phía lớn hơn. Ví dụ: (1.1) = 2
Ví dụ để tạo tín hiệu cần lọc với bộ lọc 24 tap. Điều này có thể tính từ đặc
điểm kỹ thuật tín hiệu. Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFFT là 64, do vậy
IFFT = 64. Hàm cửa sổ Kaiser với độ rộng quá độ 3 được sử dụng, dẫn đến suy giải
chặn (stop band) là 89 dB. Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không được
lọc là – 20 dBc và sau khi lọc là –109 dBc. Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được sử

dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là:
24
8
640.3
. 







 ceilN
taps
(2.5)
Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích lũy MAC
(Multiply And Accumulate) như các kết quả mẫu phức. Và như vậy đối với tần số
lấy mẫu 20 MHz số phép tính sẽ là 20 x 10
6
x 24 x 2 = 960 triệu MAC.
Bảng các từ viết tắt


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.

2.4.3 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 sine trong miền tần số. 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 trong

miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này cho 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. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do
vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.
2.5 Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh
hưởng đến tín hiệu khi truyền đi trong không gian. Đồng thời các loại nhiễu thường
gặp trong hệ thống OFDM cũng được đề cập đến. Để hạn chế nhiễu và ảnh hưởng
của kênh truyền đa đường thì ở chương sau đề cập đến một số kỹ thuật được úng
dụng trong OFDM.
Chương 3: VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG
OFDM

Bảng các từ viết tắt


3.1 Giới thiệu chương.
Ở trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm về các nội dung chính của vấn đề
đồng bộ trong hệ thống OFDM. Cụ thể là tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng
bộ, vấn đề nhận biết khung; ước lượng và sửa chữa khoảng dịch tần số; điều chỉnh
sai số lấy mẫu. Ở đây sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: Đồng bộ
symbol, đồng bộ tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và xét sự ảnh hưởng của
sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất hệ thống.
3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM.
Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số,
ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao
thoa tần số (ISI). Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc
vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời
dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số. Các hệ thống sử dụng OFDM
dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực

giao giữa các sóng mang phụ. Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính
xác yêu cầu các sóng mang phụ phải có tính trực giao.
Khi các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu chính xác thì hai yếu
tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng
thời gian symbol. Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch
khoảng thời gian symbol gây nên nhiễu ISI. Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác
động đến sự mất đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính
xác nhiều hơn khoảng thời gian symbol.
Bảng các từ viết tắt


Quá trình đồng bộ có 3 bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần
số (pha), bám đuổi pha (Hình 3.1)

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 kề nhau ước lượng phần thực của khoảng
tần số offset, còn phần ảo được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền
tần số. Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối
ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL).
Trong quá trình điều chế và truyền tín hiệu trên các kênh thường bị ảnh
hưởng bởi nhiễu. Do quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số
sóng mang và khoảng thời gian symbol không còn chính xác. Do đó, cần phải ước
lượng và đồng bộ chúng. Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ
liệu (ở bên ngoài) còn phải giải quyết vấn đề đồng bộ hóa (ở bên trong).
3.2.1 Nhận biết khung.
Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các symbol OFDM. Đa số các
sơ đồ định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM
được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định. Những sơ đồ đó không thể cho vị trí

định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp.
Nhận
biết
khung
Ước lượng
khoảng
dịch tần số

FFT
Bám
đuổi
pha
Ước
lượng
kênh
Giải
mã
Bảng các từ viết tắt


Để nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hóa
vi phân. Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời
chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM. Tại
phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết. Khi chuỗi PN
phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng
việc quan sát đỉnh tương quan.
Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc
vào trễ đa đường (được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu). Đỉnh tương quan lớn nhất
xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường. Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất
này dùng để định vị ranh giới symbol OFDM. Do nhận biết khung được thực hiện

trước khi ước lượng khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ đỉnh tương quan của chuỗi PN.
Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng hình sine. Khi không
có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa là chuỗi PN
có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận. Tại phía thu, tín hiệu
được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết.
Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định để lưu
kết quả tính toán tạm thời là các giá trị metric định thời kết quả |M(g)|. Sự nhận biết
khung thành công khi phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và tỉ lệ của giá trị
phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. Để xác định
mức ngưỡng này, sự mô phỏng được thực hiện qua kênh AWGN, đối với chuỗi có
chiều dài là 63, bộ đệm metric cũng chọn theo kích thước là 63. Hình 3.2 cho thấy
xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai lệch tại các mức ngưỡng khác nhau.
Bảng các từ viết tắt



Hình 3.2[4]: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai
tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau
Đường cong nhận biết sai tạo ra từ sự tích lũy nhiễu trong module nhận biết
khung và sau đó đo đỉnh tương quan (PAPR) của bộ metric định thời. Các đường
cong nhận biết trượt tạo ra từ phép đo PAPR của bộ đệm metric định thời khi chuỗi
PN được phát đi.
Ngưỡng tối ưu của SNR là điểm phát giao giữa đường cong nhận biết sai và
đường cong nhận biết trượt của SNR mong muốn. Một chuỗi PN dài hơn có thể
được sử dụng để tăng khoảng trống giữa các đường nhận biết sai và các đường nhận
biết trượt và để giảm xác suất lỗi tại ngưỡng tối ưu.
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số.
Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và
phía thu. Khoảng dịch tần số là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóng
mang so với hệ thống đơn sóng mang. Để BER giảm không đáng kể, độ lớn khoảng