do an

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA VIỄN THÔNG 1 Độc lập - Tự do - Hạnh phúc--------o0o--------- --------o0o---------

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên : Dương Minh KhiêmLớp : D2001-VTKhoá : 2001 – 2006Ngành : Điện tử – Viễn thông

TÊN ĐỀ TÀI : "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN"

NỘI DUNG ĐỒ ÁN :

Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến

Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDM

Phần V: Chương trình mô phỏng

Ngày giao đề tài: 27/07/2005

Ngày nộp đồ án: 27/10/2005

Hà Nội, ngày tháng năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

Điểm: (Bằng chữ: )

Hà Nội, Ngày tháng năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

Điểm: (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2005

Giáo viên phản biện

Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời nói đầu

Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu, cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư.... đã và đang được khẳng định nhờ vào việc trao đổi thông tin. Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập, cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất rõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử....Trong xã hội thông tin đó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết... dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông. Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Giá trị tài nguyên phổ tần có thể được thấy qua cuộc bán đấu giá đăng ký phổ tần vô tuyến cho 3G tại Châu Âu bắt đầu trong năm 1999. Anh quốc chỉ với 90 MHz đã kết thúc cuộc bán đấu giá với 22.5 tỷ bảng Anh [5]. Đối với Đức kết quả cũng tương tự, với 100 MHz băng tần chi phí lên đến 46 tỷ USD [6]. Điều này tương đương với 450 triệu USD/MHz. Thời gian sử dụng phổ tần chỉ kéo dài 20 năm [7]. Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu. Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2... đều không dùng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động.

Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành vô tuyến mà bản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn lĩnh hội được cùng với sự định hướng của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm có được hiệu suất sử dụng băng tần cao. Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng, cụ thể là : "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến". Ý tưởng thích ứng là: khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi

Dương Minh Khiêm, D2001VT i


về thông lượng (BPS). Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Nhưng trước tiên cần xác định được đặc tính môi trường truyền dẫn (kênh truyền), trên cơ sở đó sẽ thích ứng các tham số điều chế theo kênh truyền. Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau.

Chương 1: Giới thiệu chung

Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm của chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM.

Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động

Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến, phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng chương 5.

Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM

Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộ lọc băng thông.

Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh

Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng. Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó, đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM.

Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng

Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ sở đó lựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và thích ứng chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.

Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng phục vụ cho mô phỏng. Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Trên cơ sở liên kết các phần tử, xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Đánh giá hiệu năng giữa các hệ thống dùng cơ chế thích ứng và giữa hệ thống thích ứng với hệ thống không dùng cơ chế thích ứng thông qua chất

Dương Minh Khiêm, D2001VT ii


lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống OFDM. Đồng thời so sánh hiệu năng (BER) và hiệu năng thông lượng (BPS) giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng.

Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.

Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến, khoa viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.

Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2005

Người làm đồ án

Dương Minh Khiêm

Dương Minh Khiêm, D2001VT iii

Mục lục Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

Chương 1: Giới thiệu chung............................................................................................11.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành.................................................................21.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM...............................................3

Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động.................................................................42.1. Mở đầu..................................................................................................................42.2. Miền không gian...................................................................................................52.3. Miền tần số............................................................................................................6

2.3.1. Điều chế tần số...............................................................................................62.3.2. Chọn lọc tần số...............................................................................................7

2.4. Miền thời gian.......................................................................................................72.4.1. Trễ trội trung bình quân phương....................................................................72.4.2. Trễ trội cực đại...............................................................................................82.4.3. Thời gian nhất quán........................................................................................8

2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau...........................................82.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương.............................82.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler...............................................................9

2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp..............................................................................92.7. Phân bố Rayleigh và Rice...................................................................................10

2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh...........................................................................102.7.2. Phân bố Pha đinh Rice..................................................................................12

2.8. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số......................................132.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian..............................................................132.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số...................................................................15

2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số..................................................................................................................162.10. Kết luận.............................................................................................................19

Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM.............................................................213.1. Mở đầu................................................................................................................213.2. Tính trực giao......................................................................................................213.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM.................................................................243.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM........................................................................243.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM...................................................................25

3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song..................................................273.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con...................................................................273.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian................................283.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF....................................................................28

3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM..................303.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM...............................................................................303.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD.........................................................313.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số..................323.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM.................................................................33

Dương Minh Khiêm, D2001VT iv


3.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục.............................................................................34

3.5.1. ISI và giải khắc phục....................................................................................343.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục..................................................373.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray....403.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM423.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông........................................................433.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng............................................47

3.6 Kết luận................................................................................................................50Chương 4: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh..........................................51

4.1 Giới thiệu.............................................................................................................514.2 Ước tính kênh bằng PSAM..................................................................................51

4.2.1 Nội suy Gauss................................................................................................524.2.2 Nội suy FFT...................................................................................................524.2.3 Nội suy Wienner............................................................................................54

4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh..........................................................................544.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không......................................................................554.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE.........................56

4.4 Kết luận................................................................................................................58Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng.......................................................................59

5.1 Giới thiệu.............................................................................................................595.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng................................................60

5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng.......................................................605.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng.........................................61

5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng..........................................625.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng.........62

5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con......................635.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế................................................645.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang...........................66

5.6 Kết luận................................................................................................................72Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng.........73

6.1 Giới thiệu.............................................................................................................736.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng.................................73

6.2.1 Mô hình mô phỏng........................................................................................736.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng...................................................76

6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng........................................846.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng.................................................................84

6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng...................................................876.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng.......................................876.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế...........................896.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.................926.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang...........................................................................................94

6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng.......976.5 Kết luận..............................................................................................................105

Kết luận.......................................................................................................................106Tài liệu tham khảo.......................................................................................................107

Dương Minh Khiêm, D2001VT v


Dương Minh Khiêm, D2001VT vi

Danh mục bảng Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng

Bảng 1.1. Đặc tính dịch vụ của UMTS..............................................................................1

Bảng 1.2. Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM.....................2

Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp..........................................................................9

Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian................. 20

Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................................32

Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân.......................................................................... 41

Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a............................................... 48

Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu ......................................65

Bảng 6.1Thông số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM...................................76

Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng.............................................. 79

Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế...............................................89

Dương Minh Khiêm, D2001VT vii

Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian.........................5

Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss trong không gian.....................................................................11

Hình 2.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, ..................................................12

Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, .........................................13

Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình......................................................................15

Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100,

kích thước FFT =

300...................................................................................................................17

Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS.....................18

Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số.............................................18

Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau.......................19

Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số.............................23

Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của

OFDM so với FDM.....................................................................................................................23

Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.............24

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................26

Hình 3.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh

vô tuyến, SNR = 18 dB................................................................................................................27

Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM....................................................................................28

Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương

tự..................................................................................................................................................28

Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số.................29

Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian.........................................................29

Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số

trung tâm......................................................................................................................................30

Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM.............................................................................................30

Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con................................32

Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.........................................................35

Hình 3.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................35

Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.................................................................36

Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI................................................................37

Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau............................................38

Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu........................................................38

Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102..........................................39

Hình 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2)............................40

Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray..................................41

Dương Minh Khiêm, D2001VT viii


Hình 3.22 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64-PSK và 128-PSK.............................................................42

Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024-QAM.......................................................42

Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4,............... 44

Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với , và ...................................................44

Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng

bộ lọc...........................................................................................................................................45

Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ

Kaiser với (b)...................................................................................................................45

Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với ........46

Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.......................47

Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC..................................................................................47

Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC

chồng lấn......................................................................................................................................48

Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài

khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49





Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu.....................51

Hình 4.2 Giải thuật FFT...............................................................................................................52

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền

dẫn.............................................................................................53

Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính............................................56

Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng.........................................60

Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng............................................................................61

Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng..............................................................61

Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế..........................65

Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn

OFDM..........................................................................................................................................69

Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định..........................................................................70

Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn.................................................................71

Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng..........................................75

Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang.....................................77

Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang.....................................................78

Hình 6.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT........................79

Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................79

Hình 6.6 Đáp ứng xung kim của kênh.........................................................................................82

Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh..............................................................................82

Dương Minh Khiêm, D2001VT ix


Dương Minh Khiêm, D2001VT x

Thuật ngữ Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắtAC Alternating Current Dòng xoay chiều (tần số khác ‘0’)AM Adapting Multi-access scheam Thích ứng lược đồ đa truy nhậpAOFDM Adaptive Orthogonal Frequency

Division Multi-AccessĐa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích ứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộngBER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗiBPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệuCCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênhCF Crest Factor Tham số CrestCINR Carrier to interference plus Noise

ratioTỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm

CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kim kênhCOFDM Coding Orthogonal Frequency

Divistion MultiplexMã hoá ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh sốDAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tựDC Direct Current Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’)DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạcDDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếpDFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi quyết địnhDMT Discete Multi-Tone Đa tần rời rạcDSP Digital Signal Process Xử lý tín hiệu sốDS Delay Spread Trải trễDVB Digital Video Broadcast Truyền hình sốFEC Forward Error Correction Sửa lỗi trướcFFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanhFIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạnHDTV Hight Difinition Television Truyền hình độ nét caoHiperLAN2 High Performance Radio Local Area

Network, WLAN standard (Europe) based on OFDM, with maximum data rate of 54 Mbps

Chuẩn WLAN của Châu Âu cho OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

OFDM, with a maximum data rate of 54 Mbps.

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on DSSS, with maximum data rate of 11 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa là 11 Mbps

IFFT Inverse Fast FourierTransformation

Biến đổi Fourier ngược nhanh

IMD Inter-Modulation Distortion Nhiễu điều chế nộiIQ Inphase Quadrature Đồng pha vuông phaISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu

Dương Minh Khiêm, D2001-VTix

Thuật ngữ Đồ án tốt nghiệp Đại học

JPEG Joint Photographic Experts Group (Image compress standard)

Định dạng file ảnh tĩnh ở chế độ nén

LM-MSE LinEariry-Mean Square errorEqualizer

Bộ cân bằng sai số bình phương cực tiểu tuyến tính

LOS Line Of Sight Đường nhìn thẳngMIMO Multi-Input and Multi-Output Hệ thống đa đường vào đa đường raMMSE Maximum Mean Square error

EstimationƯớc tính cực đại trung bình lỗi bình phương

MPEG Moving Picture Experts Group(Video compress standard)

Định dạng file ảnh động ở chế độ nén

M-PSK M-Phase Shift Keying Khoá dịch pha M trạng tháiMSE Mean Square Error Trung bình lỗi bình phươngOFDM Orthogonal Frequency Division

MultiplexGhép kênh phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PSD Power Spectrum Density Hàm mật độ phổ công suấtPSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu

hoa tiêuQAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phươngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụRC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăngRF Radio Frequency Tần số vô tuyếnRMS Root Mean Squared value Giá trị căn bậc hai trung bình quân

phươngSF Spread Factor Tham số trải phổSINR Signal to Interference Plus Noise

RatioTỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âmUMTS Universal Mobile

Telecommunications SystemHệ thống viễn thông di động toàn cầu

W-CDMA Wide Band Code DivisionMulti-Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng tần rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội vùngZF Zero Forcing equalizer Bộ cân bằng cưỡng bức không

Dương Minh Khiêm, D2001-VT x

Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1

Giới thiệu chung

Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khác nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày càng xuất hiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn. Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể. Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS hỗ trợ:

Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS

Dịch vụ Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch vụ yêu cầu

Yêu cầu tính thời gian thực

Bản tin ngắn (email, chat…)

Thấp (1-10 kbps) Cao Không

Thoại Thấp (4-20 kbps) Thấp (BER < 10-3) CóDuyệt Web Khả biến (>10 kbps cho

đến 100 kbps)Cao (BER < 10-9) Thông thường

là khôngHội nghị truyền hình

Cao (100 kbps-1 Mbps) Trung bình Có

Camera theo dõi Trung bình (50-300 kbps) Trung bình KhôngTiếng chất lượng cao

Cao (100-300 kbps) Trung bình Có

Truy nhập cơ sở dữ liệu

Cao (> 30 kbps) Rất cao Không

Đối với những ứng dụng trong môi trường di động ô, thấy rõ trong tương lai gần một sự hội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet, và nhiều ứng dụng tiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi và nhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động. Khi đó chỉ với một chiếc điện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghị truyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu

Dương Minh Khiêm, D2001-VT 1


yêu cầu sẽ >30 Mbps. Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động thế hệ ba hiện nay chưa đáp ứng được. Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổ tần và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống WLAN, HiperLAN/2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao. Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM. Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này:

Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM

Tham số hệ thống DAB DVB-T IEEE 802.11 HiperLAN/2

Tần số sóng mang VHF VHF và UHF 5 GHz 5 GHz

Băng thông 1.54 MHz 7-8 MHz 20 MHz 20 MHz

Tốc độ truyền dữ liệu tối đa

1.7 Mbps 31.7 Mbps 54 Mbps 54 Mbps

Số lượng sóng mang con

192-1536 1705-6817 52 52

Kích thước FFT 256-2048 2048-8196 64 64

Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn, hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường vô tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau).

1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành

Kỹ thuật đơn sóng mang

Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ

Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả.

Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất lớn.

Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao. Ở các phương pháp điều chế truyền thống M-QAM, M-PSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu < trải trễ cực đại của kênh, khi đó kênh sẽ là kênh lựa chọn tần số và gây ISI cho tín hiệu thu. Đây là một nhược điểm chính khiến các hệ thống sử dụng các phương pháp điều chế truyền thống không thể truyền dữ liệu với tốc độ cao, hoặc giá thành rất cao đối với những dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệu cao.



Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.

1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều chế có thể thay thế cho CDMA. OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ thống CDMA và cung cấp phương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G.

Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiều sóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con này song song. Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con.

Ưu điểm

OFDM là giải pháp phân tập tần số. OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này.

OFDM đạt hiệu quả sử dụng phổ tần cao, do tính trực giao của các thành phần sóng mang con.

OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM.

OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh pha đinh chọn lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là giải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng.

Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm (do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.

Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ vi mạch VLSI.

Nhược điểm

OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội phát và thu. Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền có dịch Doppler lớn.

Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký hiệu FFT.


Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2

Đặc tính kênh vô tuyến di động

2.1. Mở đầu

Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh.

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến. Các yếu tố này là:

Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách

Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu

Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).

Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung.

Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường.

Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau. Hình 2.1(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc không gian. Hình 2.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc tần số. Hình 2.1(c) cho thấy rằng trong miền thời gian, kênh có các đặc tính khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) và pha đinh do nó gây ra là pha



đinh phân tập thời gian. Dựa trên các đặc tính trên có thể phân chia pha đinh kênh thành: pha đinh chọn lọc không gian (pha đinh phân tập không gian), pha đinh chọn lọc tần số (pha đinh phân tập tần số), pha đinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ). Chương này sẽ xét các tính chất kênh trong miền không gian, thời gian và tần số.

Trong chương này đồ án sẽ phân tích các đặc tính của kênh để sử dụng chúng trong các giải thuật điều chế thích ứng của mình.

2.2. Miền không gian

Các thuộc tính trong miền không gian gồm: tổn hao đường truyền và chọn lọc không gian. Tổn hao đường truyền thuộc loại pha đinh phạm vi rộng còn chọn lọc không gian thuộc loại pha đinh phạm vi hẹp. Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất thu trung bình tại một khoảng cách cho trước so với máy phát, được gọi là đánh giá tổn hao đường truyền. Khi khoảng cách thay đổi trong phạm vi một bước sóng, kênh thể hiện rõ các đặc tính ngẫu nhiên. Điều này được gọi là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian).

Tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Một số mô hình xét chi tiết về địa hình để đánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số chỉ xét tần số và khoảng cách. Chiều cao anten là một thông số quan trọng. Tổn hao do khoảng cách truyền dẫn sẽ tuân theo quy luật hàm mũ.

PL d-n (2.1)

trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n<2 cho các môi trường trong nhà, a>2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu đến máy phát.

Từ lý thuyết và các kết quả đo lường cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu

Dương Minh Khiêm, D2001-VT

Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian

(a) (b) (c)

5


nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau:

(2.2)

Trong đó là tổn hao đường truyền trung bình phạm vị rộng đối với khoảng cách

phát thu d; X là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình không (đo bằng dB) với lệch chuẩn (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền.

Khi các đối tượng trong kênh vô tuyến không chuyển động trong một khoảng thời gian cho trước và kênh được đặc trưng bởi pha đinh phẳng đối với một độ rộng băng tần cho trước, các thuộc tính kênh chỉ khác nhau tại các vị trí khác nhau. Nói một cách khác, pha đinh chỉ đơn thuần là một hiện tượng trong miền thời gian (mang tính chọn lọc thời gian).

Từ phương trình 2.2 thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá thống kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên. Ảnh hưởng ngẫu nhiên xẩy ra do pha đinh phạm vi hẹp trong miền thời gian và thể hiện cho tính chọn lọc thời gian (phân tập thời gian). Ảnh hưởng của chọn lọc không gian có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng nhiều anten. MIMO (Multiple Input Multiple Output: Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) là một kỹ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian này để cải thiện hiệu năng và dung lượng hệ thống.

2.3. Miền tần số

Trong miền tần số, kênh bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: điều chế tần số và chọn lọc tần số.

2.3.1. Điều chế tần số

Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số. Dịch tần số trong tần số thu do chuyển động tương đối này được gọi là dịch tần số Doppler, nó tỷ lệ với tốc độ chuyển động, phương chuyển động của MS so với phương sóng tới của thành phần sóng đa đường. Dịch Doppler BD có thể được biểu diễn như sau:

(2.3)

Trong đó là tốc độ của MS, là bước sóng, là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang. Từ phương trình cho trên thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler là dương và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler là âm và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu. Khi và (hoặc ) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler.



2.3.2. Chọn lọc tần số

Đồ án sẽ phân tích chọn lọc tần số cùng với một thông số khác trong miền tần số: băng thông nhất quán. Băng thông nhất quán là một số đo thống kê của dải tần số trên một kênh pha đinh được coi là kênh pha đinh "phẳng" (là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được truyền qua có khuếch đại như nhau và pha tuyến tính). Băng thông nhất quán cho ta dải tần trong đó các thành phần tần số có biên độ tương quan. Băng thông nhất quán xác định kiểu pha đinh xẩy ra trong kênh và vì thế có ý nghĩa cơ sở trong việc thích ứng các thông số điều chế. Băng thông nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ (xem phần 2.5). Pha đinh chọn lọc tần số rất khác với pha đinh phẳng. Trong cùng một kênh pha đinh phẳng, tất cả các thành phần tần số truyền qua băng thông kênh đều chịu ảnh hưởng của pha đinh. Ngược lại pha đinh chọn lọc tần số (còn gọi là pha đinh vi sai), một số đoạn phổ của tín hiệu qua kênh pha đinh bị ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, thể hiện rõ tính chọn lọc tần số của kênh này. Nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được truyền qua kênh này, thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc ( phân tập tần số). Pha đinh này sẽ làm méo tín hiệu.

2.4. Miền thời gian

Sự khác biệt giữa các kênh hữu tuyến và các kênh vô tuyến là kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là pha đinh chọn lọc thời gian. Có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian. Có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và h(t,) là đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:

(2.4)

Trong đó t là biến thời gian, là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định, ‘*’ là ký hiệu tích chập.

Ảnh hưởng đa đường của kênh vô tuyến thường được biết đến ở dạng phân tán thời gian hay trải trễ. Phân tán thời gian (tán thời), hay trải trễ xẩy ra khi một tín hiệu được truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường có các độ dài khác nhau. Một mặt tín hiệu này được truyền trực tiếp, mặt khác nó được truyền từ các đường phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau với các thời gian đến máy thu khác nhau. Vì vậy tín hiệu tại anten thu chịu ảnh hưởng của tán thời này sẽ bị méo dạng. Khi thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống vô tuyến số để truyền số liệu tốc độ cao ta cần xét các phản xạ này.

Tán thời có thể được đặc trưng bởi trễ trội, trễ trội trung bình hay trễ trội trung bình quân phương.

2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương

Thông số thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS: Root Mean Square Delay Spread): căn bậc hai môment trung tâm của lý lịch trễ công suất. RDS đánh giá cho trải đa đường của kênh. Vì thế được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI).



(2.5)

(2.6)

(2.7)

trong đó P(k) là công suất trung bình đa đường tại thời điểm k.

2.4.2. Trễ trội cực đại

Trễ trội cực đại (XdB) của lý lịch trễ công suất được định nghĩa là trễ thời gian mà ở đó năng lượng đa đường giảm XdB so với năng lượng cực đại.

2.4.3. Thời gian nhất quán

Một thông số khác trong miền thời gian là thời gian nhất quán. Thời gian nhất quán xác định đặc tính "tĩnh" của kênh. Thời gian nhất quán là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên độ của tín hiệu thu, được ký hiệu là Tc. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng pha đinh như nhau. Vì thế nhận được một kênh pha đinh khá chậm. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng pha đinh khác nhau. Khi này kênh pha đinh khá nhanh. Như vậy dưới tác động của pha đinh nhanh, một số phần của ký hiệu tin sẽ chịu tác động pha đinh lớn hơn các phần khác. Đồ án sẽ nghiên cứu thuộc tính này để phát triển giải thuật điều chế thích ứng của mình. Bằng cách thiết lập giá trị cho một thông số nhất định, sẽ nhận đựơc kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh và nhờ vậy đạt được hiệu năng tốt hơn.

2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau

Đồ án đã chỉ ra các đặc tính kênh và các thông số của nó trong các miền không gian, tần số và thời gian. Các đặc tính này không tồn tại độc lập nhau mà có quan hệ mật thiết giữa các miền xét. Một số thông số trong miền này ảnh hưởng lên các đặc tính của miền khác.

2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương

Thấy rõ, lý lịch trễ công suất và đáp ứng tần số biên của kênh vô tuyến di động quan hệ với nhau qua biến đổi Fourrier. Vì thế, có thể trình bầy kênh trong miền tần số bằng cách sử dụng các đặc tính đáp ứng tần số của nó. Tương tự như các thông số trải trễ trong miền thời gian, ta có thể sử dụng băng thông nhất quán để đặc trưng kênh trong miền tần số. Tuy trải trễ trung bình quân phương tỷ lệ nghịch với băng thông nhất quán và ngược lại, song quan hệ chính xác của chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đa đường. Nếu ký hiệu băng thông nhất quán là BC và trải trễ trung bình quân phương là , thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thông nhất quán có quan hệ sau đây với trải trễ trung bình quân phương:



(2.8)

Cho thấy hai thông số trên liên quan chặt chẽ với nhau, nên chỉ cần xét một thông số trong quá trình thiết kế hệ thống.

2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler

Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông số kênh trong miền thời gian và có tính đối ngẫu với trải Doppler. Trải Doppler và thời gian nhất quán là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau. Nghĩa là:

(2.9)

Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thông số nói trên là đủ.

2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Tuỳ vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ ký hiệu,…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler, …), mà xác định loại pha đinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: Trải trễ đa đường và pha đinh chọn lọc tần số. Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi đó việc kênh là pha đinh phẳng hay chọn lọc tần số lại xét trong miền tần số. Vì thế thông số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số. Trải Doppler dẫn đến tán tần và pha đinh chọn lọc thời gian, vì thế dựa vào trải Doppler để phân loại pha đinh phạm vi hẹp thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm. Trải Doppler là một thông số trong miền tần số trong khi đó hiện tượng kênh thay đổi nhanh hay chậm lại thuộc miền thời gian. Vậy trong trường hợp này, trải Doppler, thông số trong miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền thời gian. Biết được các quan hệ này sẽ trợ giúp trong quá trình thiết kế hệ thống. Bảng 2.1 liệt kê các loại pha đinh phạm vi hẹp.

Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp

Cơ sở phân loại Loại Pha đinh Điều kiệnTrải trễ đa đường Pha đinh phẳng BS<<BC ; T10

Pha đinh chọn lọc tần số BS>BC ; T<10

Trải Doppler Pha đinh nhanh T>TC ; BS<BD

Pha đinh chậm T<<TC ; BS>>BD

Các ký hiệu được sử dụng trong bảng 2.1 như sau: BS ký hiệu cho độ rộng băng tần tín hiệu, BC ký hiệu cho băng thông nhất quán, BD ký hiệu cho trải Doppler, T ký hiệu cho chu kỳ ký hiệu và trải trễ trung bình quân phương.

Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng. Khi này chu kỳ ký hiệu lớn hơn nhiều so với trải trễ đa đường của kênh. Ngược lại, nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh chọn lọc tần số, khi này chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa đường kênh. Khi đó, tín hiệu thu bị méo dạng dẫn đến nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Ngoài ra việc lập mô hình các kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp



hơn nhiều so với lập mô hình kênh pha đinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênh pha đinh chọn lọc tần số phải sử dụng bộ lọc tuyến tính. Vì thế ta cần cố gắng chuyển vào kênh pha đinh phẳng cho tín hiệu truyền dẫn. Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đa đường hay băng thông nhất quán, nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu để đạt được kênh pha đinh phẳng. Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiện hiệu năng truyền dẫn, cần chọn giá trị chu kỳ ký hiệu trong giải thuật điều chế thích ứng để đạt được kênh pha đinh phẳng thay vì kênh pha đinh chọn lọc.

Dựa trên trải Doppler, để phân loại kênh thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm. Nếu đáp ứng xung kim kênh (trong miền thời gian) thay đổi nhanh trong chu kỳ ký hiệu, nghĩa là nếu thời gian nhất quán kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu phát, kênh sẽ gây ra pha đinh nhanh đối với tín hiệu thu. Điều này sẽ dẫn đến méo dạng tín hiệu. Nếu đáp ứng xung kim kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây ra pha đinh chậm đối với tín hiệu thu. Trong trường hợp này kênh tỏ ra tĩnh đối với một số chu kỳ ký hiệu. Tất nhiên ta muốn có pha đinh chậm vì nó hỗ trợ chất lượng truyền dẫn ổn định hơn. Ta không thể xác dịnh Doppler khi thiết kế hệ thống. Vì thế, khi cho trước trải Doppler, ta cần chọn độ rộng băng tần tín hiệu (băng thông sóng mang con) trong giải thuật điều chế thích ứng để nhận được kênh pha đinh chậm thay vì kênh pha đinh nhanh. Như vậy ta sẽ đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn.

2.7. Phân bố Rayleigh và Rice

Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Rayleigh và Rice được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu pha đinh phẳng. Trong phần này đồ án sẽ xét các phân bố này và đưa ra các đặc tính cơ bản của chúng.

2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh

Có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phân bố Gauss vuông góc. Hàm mật độ xác suất (PDF) của phân bố pha đinh Rayleigh được biểu diễn như sau:

(2.10)

Trong đó r là điện áp đường bao tín hiệu thu, là giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss, là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss.

Giá trị trung bình, rtb, của phân bố Rayleigh trở thành:

(2.11)

Phương sai của phân bố Rayleigh, (thể hiện thành phần công suất xoay chiều trong đường bao) được xác định như sau:



(2.12)

Trong phần trên có nói đến phân bố Gauss của các thành phần tín hiệu thu. Hàm mật độ xác suất đa biến (PDF) của phân bố Gauss được biểu diễn:

(2.13)

Trong đó x là vector ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx là vector giá trị trung bình của vector x, Cx là ma trận đồng phương sai. Hàm phân bố Gauss một biến giá trị thực sẽ có dạng:

(2.14)

Hàm phân bố Gauss cho vector hai chiều được cho trong hình 2.4.


Hình 2.3 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, , [sim_rayleigh.m]

11


2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice

Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị pha đinh) vượt trội, đường truyền trực tiếp (LOS), phân bố đường bao pha đinh phạm vi hẹp có dạng Rice. Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này.

Phân bố Rice được biểu diễn như sau:

(2.15)

trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu trội và I0(.) là hàm Bessel cải tiến loại một bậc

không được xác định như sau:

Phân bố Rice thường được mô tả bằng thừa số K như sau:

(2.16)

Khi K tiến đến không, kênh suy thoái thành kênh Rayleigh, khi K tiến đến vô hạn kênh chỉ có đường trực tiếp.


Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss hai biến, [sim_gaussian.m]

12


2.8. Các mô hình kênh trong miền thời gian và miền tần số

2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian

Xây dựng mô hình kênh là điều không thể thiếu được khi nghiên cứu thông tin vô tuyến. Kênh vô tuyến pha đinh đa đường có thể được đặc trưng theo toán học bằng bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian. Trong miền thời gian, có thể rút ra tín hiệu đầu ra kênh bằng tích chập tín hiệu đầu vào kênh với hàm đáp ứng xung kim kênh thay đổi theo thời gian h(,t). Có thể biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh như sau:

(2.17)

Trong đó i (t), i(t), i(t) biểu thị cho biên độ, pha và trễ vượt trội đối với xung thu thứ nhất (đường truyền i); biểu thị cho trễ vượt trội, sự phụ thuộc t cho thấy thay đổi theo thời gian của chính cấu trúc xung kim và (.) biểu thị cho hàm Delta Dirac. Thông thường thì trễ của tia đầu tiên (đường truyền ngắn nhất) được định nghĩa 0=0, vì thế i>0 được gọi là trễ vượt trội và đáp ứng xung kim kênh mang tính nhân quả.

Lưu ý rằng trong môi trường thực tế, {i (t)}, {i(t)}, {i(t)} thay đổi theo thời gian. Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng , {i (t)}, {i(t)} có thể coi là ít thay đổi. Tuy nhiên các pha {i(t)} thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng [- ; ].

Tất cả các thông số kênh được đưa ra ở đây đều được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất (PDP), PDP là một hàm được rút ra từ đáp ứng xung kim. PDP được xác định như sau:


Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, , [sim_rice.m]

13


(2.18)

Thông số đầu tiên là công suất thu (chuẩn hóa), là tổng công suất của các tia:

(2.19)

Thừa số K là tỷ số của công suất đường truyền vượt trội và công suất của các tia tán xạ, được xác định như sau:

Trong đó (2.20)

Lưu ý rằng khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi thẳng, tương ứng với i=0, i,max= 0 tại 0=0.

Thông số thứ hai là trải trễ trung bình quân phương, là môment bậc hai của PDP chuẩn hóa, được biểu diễn như sau:

(2.21)

trong đó:

Vì pha của các tia không còn nữa, các thông số kênh phải hầu như không đổi trong diện hẹp, với điều kiện là các đường truyền hoàn toàn phân giải.

Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hình kênh miền thời gian. Quy luật phân bố đối với biên độ, pha và mô hình lý lịch trễ công suất cho kênh trong nhà:

Các pha của các đường truyền độc lập tương hỗ so với nhau (không tương quan) và có phân bố đều trong khoảng [-, ]

Nếu ta coi rằng tất cả các đường truyền đều được tạo ra từ cùng một quá trình thống kê và quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa rộng so với biến t, thì biên độ của các dường truyền tán xạ sẽ tuân theo phân bố Rayleigh (được xác định theo phương trình 2.10) và PDF biên độ của tất cả các đường truyền (gồm cả LOS) sẽ tuân theo phân bố Rice (xác định theo phương trình 2.15)

Hình 2.6 cho thấy mô hình của lý lịch trễ công suất trung bình (PDP: Power Delay Profile) cho một kênh vô tuyến đa đường. Đường đầu tiên là LOS có công suất lớn nhất. Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đó các đường có công suất giảm tuyến tính theo dB. Có thể biểu diễn PDP này theo dB như sau:



(2.22)

Trong đó (0) thể hiện cho biên độ tín hiệu đi thẳng, () biểu thị biên độ của tín hiệu truyền theo đường đến máy thu tại trễ , LOS thể hiện hiệu số giữa công suất tín hiệu đi thẳng với công suất tín hiệu của phần mức không đổi và Z là độ dốc của phần giảm tuyến tính trong PDP. Nếu sử dụng quan hệ nói trên cho phân bố Rice, sẽ nhận được công suất/biên độ của tín hiệu di thẳng từ thừa số K trong phương trình (2.20) và biên độ tín hiệu của các đường còn lại theo quan hệ này.

2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số

Mô hình kênh trong miền tần số được trình bầy ở dạng phổ công suất trễ (DPS: Delay Power Spectrum) như ở hình 2.6. DPS trong trường hợp này biểu diễn hàm truyền đạt kênh, Mô hình này nhận được từ chuyển đổi Fourier đáp ứng xung của kênh (xem phương trình (2.23)). Quá trình này cũng chứng tỏ rằng tán thời của kênh dẫn đến kênh mang tính chọn lọc tần số như đã nói ở phần 2.5 và 2.6. Sử dụng biến đổi Fourier cho đáp ứng xung kênh, ta được:

(2.23)

trong đó:

, mô tả đáp ứng xung kim trong miền thời gian.

Quan hệ giữa công suất tại trễ là h() với đáp ứng xung kim kênh được xác định như sau:

(2.24)


Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình

15


Dạng của DPS (Delay Power Spectrum: Phổ công suất trễ) được giả định giống như dạng của PDP trung bình (Power Delay Profile: Lý lịch trễ công suất), vì thế có thể sử dụng một công thức để biểu diễn cả hai mô hình này. Bằng cách định nghĩa :

(2.25)

Trong đó p(0)=|h(0)|2 biểu thị công suất thành phần sóng đi thẳng (LOS), biểu thị thành phần không đổi của mật độ phổ công suất, biểu thị mũ giảm và được xác định

như sau , z đo bằng dB/ns biểu thị cho độ dốc phần giảm tuyến tính của PDF.

Ta định nghĩa công suất thu chuẩn hóa (NRP: Normalized Received Power) là tỷ số giữa công suất thu và công suất phát như sau:

NRP=PR/PT (2.26)

Trong đó PR ký hiệu cho công suất thu còn PT ký hiệu cho công suất phát.

Từ h() định nghĩa theo (2.24), có thể rút ra các biểu thức liên quan đến NRP, thừa số K và trải trễ trung bình quân phương như sau:

(2.27)

(2.28)

(2.29)

(2.30)

(2.31)

2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số

Trong mô hình kênh miền tần số, ba thông số {NPR, K,} đủ để mô tả tính cách băng rộng của các kênh pha đinh Rice thực tế. Để thích ứng các thông số điều chế dựa trên các thông số của kênh, cần phải biết biết ảnh hưởng của các thông số kênh nói trên lên hiệu năng kênh.



Hình 2.7 minh hoạ dạng tín hiệu OFDM trong miền tần số, khi truyền qua môi trường kênh pha đing Rice. Trên hình vẽ ta thấy tại những điểm trũng của đáp ứng kênh thì biên độ phổ tần số của tín hiệu sẽ bị giảm nhanh chóng, và tại những điểm lồi của đáp ứng kênh thì biên độ phổ của tín hiệu bị kéo lên theo đường đáp ứng kênh. Tại những điểm trũng hay lồi của đáp ứng kênh đều gây thu sai tín hiệu sau bộ quyết định tại phía thu.

Mục đích của đồ án là tìm giải pháp đối phó những vị trí mà đáp ứng kênh bị thăng giáng bằng cách sử dụng các bộ cân bằng, dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và điều chế M-QAM thích ứng (AQAM) trong miền tần số và thời gian được đồ án đề cập trong chương 5.

Hình 2.8 và hình 2.9 cho thấy các thuộc tính kênh trong miền tần số phụ thuộc vào trải trễ (RDS) và thừa số K dựa trên các kết quả mô phỏng. Cả hai mô hình miền tần số và miền thời gian đều được mô phỏng. Trên hình 2.8, ta giả thiết rằng K bằng 0dB còn trên hình 2.9 ta giả thiết rằng RDS bằng 42,1ns.


Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 256, [plot_ofdm_spectrum.m]

17


Hình 2.8 cho thấy rằng trải trễ cao dẫn đến thay đổi biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số nhanh hơn. Điều này cho thấy rằng cần phải ấn định nhiều sóng mang con hơn cho hệ thống OFDM khi trải phổ lớn hơn. Từ hình 2.9 cho thấy, khi thừa số K giảm, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số bị pha đinh nhanh hơn. Khi thừa số K lớn, biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số ít bị pha đinh hơn nhiều. Nói một cách khác khi thừa số K lớn, cho phép ấn định băng thông sóng mang nhỏ ngay cả khi trải trễ lớn. Tuy nhiên ta cần biết tại thừa số K nào ảnh hưởng trải trễ đối với thiết kế băng thông sóng mang con có thể bỏ qua. Để xác định điều này ta xét kết quả mô phỏng trên hình 2.10.

Hình 2.10 Biểu thị hàm truyền đạt biên độ kênh theo tần số đối với RDS bằng 30ns và thừa số K bằng 0dB, 6dB và 15dB. Hình này cho thấy rằng thừa số K nhỏ dẫn đến biên độ kênh bị pha đinh nhanh hơn trong miền tần số. Đối với K=0dB, pha đinh biên độ có thể lên tới 12 dB tại một tần số nào đó, đối với K=10dB, biên độ pha đinh nhỏ hơn 2,2dB trên toàn băng tần và đối với K=15dB, pha đinh chỉ giới hạn ở 1dB trên toàn băng tần. Vậy có thể kết luận rằng Khi K lớn hơn 10dB biên độ hàm truyền đạt kênh trong miền tần số không bị pha đinh nhiều vì thế không cần đặt băng thông sóng mang con theo trải trễ mặc dù biên độ này pha đinh nhanh hơn khi trải trễ lớn.


Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS. a) nhìn từ trên xuống, b) nhìn từ bên.

Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số

18


Từ các phân tích trên có thể kết luận ảnh hưởng của thừa số K và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số như sau:

Trải trễ ảnh hưởng lên tốc độ thay đổi biên trong hàm truyền đạt kênh trong miền tần số. Trải trễ càng cao thì tốc độ thay đổi biên trong miền tần số càng lớn.

Thừa số K xác định độ lớn của thay đổi biên hàm truyền đạt kênh miền tần số. K càng lớn thì thay đổi biên càng nhỏ.

Khi thừa số K nhỏ hơn 10 dB, để chống pha đinh chọn lọc tần số, cần ấn định băng thông sóng mang con lớn hơn cho OFDM khi trải trễ lớn hơn.

2.10. Kết luận

Chương này đã xét các đặc tính kênh. Theo truyền thống, các kênh được phân loại thành các kênh pha đinh phạm vi rộng và các kênh pha đinh phạm vi hẹp. Pha đinh phạm vi rộng chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi truyền sóng khoảng cách xa (vài km). Pha đinh phạm vi hẹp biểu thị ảnh hưởng truyền dẫn đa đường. Vì vậy, khi xây dựng thuật toán cho điều chế thích ứng, cần xét các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian như cho ở bảng 2.2. Đặc tính kênh trong miền không gian liên quan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng và thăng giáng ngẫu nhiên phạm vi hẹp do truyền đa đường. Thăng giáng ngẫu nhiên khi khoảng cách thay đổi ít (vào khoảng bước sóng) dẫn đến phân tập không gian (pha đinh chọn lọc không gian). Việc pha đinh chọn lọc không gian mang tính ngẫu nhiên và khó lập mô hình dẫn đến tình trạng không rõ ràng khi thiết kế hệ thống và khó tăng cường chất lượng hệ thống. Tuy nhiên công nghệ truyền dẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output) cho phép giải quyết vấn đề này. MIMO có thể chuyển bất lợi của truyền sóng đa đường thành có lợi.


Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau

19


Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian

Miền không gian Miền tần số Miền thời gianThông số d;

Thăng giáng ngẫu nhiên

BD;

Nhược điểm Chọn lọc không gian Chọn lọc tần số Chọn lọc thời gianGiải pháp MIMO OFDM Thích ứngMục đích Lợi dụng đa đường Pha đinh phẳng

(T)Pha đinh chậm(BS>>BD)

Chú thích d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output; BD: trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét cho trường hợp tương quan lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; : trải trễ trung bình quân phương; TC: thời gian nhất quán của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát

Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng nhất quán (xem bảng 2.2). Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhất quán và trải trễ trung bình quân phương. Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối giữa MS và BTS. Các thông số này có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian nhất quán của của kênh.Trải trễ xẩy ra do trễ đa đường. Độ rông băng nhất quán của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình quân phương. Vì thế trải trễ trung bình quân phương có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) trong miền tần số. OFDM đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc tần số vì nó có thể chuyển pha đinh chọn lọc tần số vào pha đinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài hơn trải trễ trung bình quân phương (xem chương 3). Ngoài ra thích ứng đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc thời gian trong miền thời gian, vì nó hầu như luôn luôn làm cho độ rộng băng tín hiệu phát lớn hơn nhiều so với trải Doppler bằng cách thay đổi các thông số của hệ thống truyền dẫn theo các thông số kếnh (xem chương 5).


Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3

Nguyên lý hoạt động của OFDM

3.1. Mở đầu

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng. Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số. Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu. Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn. Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh.

Theo đó chương này trước hết, đồ án trình bầy nguyên lý hoạt động của một hệ thống điều chế OFDM. Sau đó xét các thông số hiệu năng của nó. Cuối cùng xét ảnh hưởng của các thông số kênh truyền sóng lên dung lượng cũng như chất lượng truyền dẫn của hệ thống OFDM.

3.2. Tính trực giao

Ý tưởng

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song (đồng thời) nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Việc xếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần được cấp phát dẫn đến ta không những đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần được cấp phát cao mà còn có tác dụng phân tán lỗi cụm khi truyền qua kênh, nhờ tính phân tán lỗi mà khi được kết hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh kiểm soát lỗi hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể. So với hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số FDM truyền thống, ở FDM cũng truyền theo cơ chế song song nhưng các băng con không những không được phép chồng lấn nhau mà còn phải dành khoảng băng tần bảo vệ (để giảm thiểu độ phức tạp bộ lọc thu).

Vậy làm thế nào tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác sau khi được tách ra chúng không giao thoa với nhau trong các miền tần số (ICI) và thời gian (ISI). Câu trả lời và cũng là vấn đề mấu chốt của truyền dẫn OFDM là nhờ tính trực giao của các sóng mang con. Vì vậy ta kết luận rằng nhờ đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều băng tần con chồng lấn song phía thu vẫn tách chúng ra được, đặc biệt là tính khả thi và kinh tế cao do sử dụng xử lý tín hiệu số và tần dụng tối đa ưu việt của VLSI.



Theo đó trước hết ta định nghĩa tính trực giao, sau đó ta áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM hay nói cách khác sử dụng tính trực giao vào quá trình tạo và thu tín hiệu OFDM cũng như các điều kiện cần thiết để đảm bảo tính trực giao.

Định nghĩa

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là . Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả mãn điều kiện sau

(3.1)

Trong đó:

(3.2)

là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số

các sóng mang con và N.f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian.

Minh hoạ

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang. Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu. Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau.

Kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con được cho ở Hình 3.1. Trong đó, (3.1.1a), (3.1.2a), (3.1.3a) và (3.1.4a) thể hiện các sóng mang con riêng lẻ, với tần số tương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz. Pha ban đầu của toàn bộ các sóng mang con này là 0. (3.1.5a) và (3.1.5b) thể hiện tín hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số.

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường minh ở hình 3.2. Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung tâm. Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác. Hình 3.2 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống.

Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở đường màu đen đậm trên hình 3.3.




Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số, [sim_ofdm_time_domain.m]

Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM, [sim_ofdm_mc.m]

23


3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM

3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:

(3.3)

Trong đó sk(t-kT) là tín hiệu OFDM phát phức băng gốc thứ k được xác định như sau:

(3.4)

Trong đó:

T là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

Twin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ

f=1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

N là độ dài FFT, số điểm FFT

k là chỉ số về ký hiệu được truyền

i là chỉ số về sóng mang con, i{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, …., -N/2} xi,k là vectơ điểm chùm tín hiệu, là ký hiệu phức (số liệu, hoa tiêu,

rỗng) được điều chế lên sóng mang con i của ký hiệu OFDM thứ k.

w(t) xung tạo dạng được biểu diễn như sau:

(3.5)

Phân tích (3.4) ta thấy biểu thức này giống như biểu thức của dãy Fourier sau:


Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con, [sim_ofdm_mc.m]

24


(3.6)

trong đó các hệ số Fourier phức thể hiện các vectơ của chùm tín hiệu phức còn nf0 thể hiện các sóng mang con i/TFFT. Trong hệ thống số, dạng sóng này có thể được tạo ra bằng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Chùm số liệu x i,k là đầu vào IFFT và ký hiệu OFDM miền thời gian là đầu ra. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế vô tuyến được xác định như sau:

(3.7)

trong đó sRF,k(t-kT) là tín hiệu OFDM vô tuyến thứ k được biểu diễn như sau:

(3.8)Trong đó fc là tần số sóng mang RF.

3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 3.4 trình bầy sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM điển hình. Theo đó, dưới đây trình bày vắn tắt chức năng các khối.

Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc. Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu của nó. Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến.

Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát. Theo đó trước hết, trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích tín hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu.



3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số) tác động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành song song. Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.

3.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha. Việc xắp xếp điều chế sóng mang con đối với 16-QAM được cho hình 3.5, mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tương ứng với một vector IQ duy nhất.

Ảnh hưởng của tạp âm cộng vào tín hiệu phát 16-QAM (kênh AWGN) được cho ở hình hình 3.5 (b) với SNR thu = 18 dB.


Hình 3.5. Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB, [sim_generate_qam.m]

27


3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian. Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian. Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT). Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0.

3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình 3.7 và "số" được cho ở hình 3.8. Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.


Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM

Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự

28


Hình 3.9 mô tả dạng sóng trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM. Số lượng sóng mang = 500, kích thước FFT = 2000, khoảng thời gian bảo vệ = 500. Sóng mang điều chế cao tần có tần số fc = 10 GHz.

Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cách dùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 3.7 và hình 3.8. Bộ điều chế IQ sẽ dịch phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên vùng tần số vô tuyến, và chuyển từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực). Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực và nó chỉ biến đổi giá trị cường độ trường.

Một tín hiệu thực sẽ tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức có tần số trung tâm là 0 Hz trộn với tần số sóng mang ở bộ điều chế IQ.


Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số

Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian, [sim_ofdm_signal.m]

29


(3.9)

Trong đó là tần số sóng mang để dịch tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên tín hiệu OFDM cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu và là tần số dịch từ DC, xem hình 3.10. Trong các ứng dụng hữu tuyến như ADSL, hầu hết các sóng mang con đều có tổng độ dịch DC thấp hơn độ rộng băng tần tín hiệu. Điều này có ý nghĩa rằng có thể trực tiếp tạo tín hiệu thực bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ để chuyển dịch tần số.

Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng cho điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn.

3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM

Hình 3.11 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian. là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số khác,

là thời gian cửa sổ. Thấy rõ quan hệ giữa các thông số là.

(3.10)


Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm (sóng mang)

Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM

30


Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại các ranh giới ký hiệu, và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng được định nghĩa bởi.

(3.11)

trong đó là hệ số dốc của cosin tăng và khoảng thời gian ký hiệu , nó ngắn hơn toàn bộ khoảng thời gian của một ký hiệu vì ta cho phép các ký hiệu lân cận chồng lấn một phần trong vùng dốc (roll-off region).

Một ký hiệu OFDM bắt đầu tại thời điểm (bắt đầu của ký hiệu thứ k) được định nghĩa bởi các phương trình (3.12).

(3.12)

trong đó được thấy trong hình 3.11.

3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD

Từ hình 3.11 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu , thời gian truyền hiệu quả hay thời gian FFT , thời gian bảo vệ , thời gian cửa sổ

. Trong mô phỏng chỉ thực hiện đối với và chu kỳ ký hiệu chiếm đa phần thời gian. Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (3.10) trở thành:

(3.13)

Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký hiệu) được định nghĩa bởi.

(3.14)

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có thể được dùng để tính toán thông lượng (throughput).

3.4.3. Các thông số trong miền tần số FD

Hình 3.12 trình bầy sắp xếp OFDM trong miền tần số. Có ba thông số chính (được cho trong bảng 3.1): toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f, và số sóng mang con . Quan hệ giữa chúng là

(3.15)



Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế hệ thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con . Do độ rộng băng tần sóng mang con và số sóng mang con phụ thuộc nhau ở dạng (3.15), nên chỉ cần gán giá trị cho một thông số là đủ. Nhưng cả hai đều được kiểm tra bằng cách dùng tiêu chuẩn chứa chúng. Nói cách khác, có hạn chế về độ rộng băng tần sóng mang con cũng như số sóng mang con. Tất cả nên được kiểm tra để thiết kế độ rộng băng sóng mang con và đối với số sóng mang con.

3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số.

Thông số miền thời gian và thông số miền tần số f có quan hệ với nhau, nghĩa là chúng là tỉ lệ nghịch của nhau. Vì vậy, việc đặt giá trị cho một thông số là đủ để thiết kế hệ thống. Từ bảng 3.1 cho thấy cho trước toàn bộ độ rộng băng tần, cần phải gán các giá trị cho độ rộng băng sóng mang con (hoặc số sóng mang con) và thời gian bảo vệ cho một hệ thống OFDM. Theo đó, có thể tìm được các thông số khác, nghĩa là số sóng mang con (hay độ rộng băng sóng mang con), chu kỳ ký hiệu và FSR.

Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM

Miền khảo sát

Tham số khảo sát

Mối quan hệ Tham số dùng thiết kế

FD B, , Nsub hoặc Nsub

TD Tsym, TFFT, FSR, TG

TG

3.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM

Một trong các muc tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lượng. Vì thế trước hết cần nghiên cứu các thông số nào ảnh hưởng lên dung lượng. Trong phần này đồ án đề cập các thông số này và đưa ra công thức để xác định chúng.

Dung lượng kênh theo Shannon.


Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con

32


Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu được xác định bằng công sau:

[bps], (3.16)

trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông.

Điều chế thích ứng được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích ứng theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này.

Dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM.

Thấy rõ, mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng lên dung lượng. Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kỳ nên có nhiều thông số quyết định dung lượng hơn.

Bắt đầu bằng việc xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

, (3.17)

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym là thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

(3.18)

Từ công thức (3.18) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều chế, (3) độ rộng băng và (4) FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn cảnh cụ thể của kênh tại thời điểm xét.



3.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục

3.5.1. ISI và giải khắc phục

Nguyên nhân và ảnh hưởng của ISI

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu ISI truyền qua nó.

Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời

Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI

Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Nếu khoảng thời gian ký hiệu lớn hơn trải trễ cực đại của kênh pha đinh thì kênh được gọi là kênh pha đing phẳng. Ngược lại kênh sẽ có tính chất chọn lọc tần số gọi là kênh chọn lọc tần số. Việc thiết kế máy thu đối với kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơn rất nhiều so với kênh pha đinh phẳng.

Thấy rõ, với cùng độ rộng băng tần hệ thống như nhau thì tốc độ ký hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang đồng nghĩa với thời gian của ký hiệu OFDM được tăng lên, vì vậy khả năng đối phó ISI (do kênh gây ra) tăng lên. Ngoài ra, để tăng dung sai đa đường, có thể mở rộng chiều dài ký hiệu OFDM, bằng cách thêm một khoảng thời gian bảo vệ vào phần đầu mỗi ký hiệu. Mặt khác, khoảng thời gian bảo vệ của tín hiệu OFDM cũng giúp chống lại lỗi dịch thời trong bộ thu.

Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ, thì khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra theo cách copy phần cuối ký hiệu lên phần đầu của cùng ký hiệu. Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc copy phần cuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tại điểm nối. Hình 3.13 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ.

Chiều dài tổng của ký hiệu là , trong đó là tổng chiều dài của ký hiệu, là chiều dài của khoảng bảo vệ, và là kích thước IFFT được sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM.



Hình 3.14 mô phỏng cấu trúc một tín hiệu OFDM trong miền thời gian, với kích thước FFT = 256, số lượng sóng mang = 100, độ dài khoảng bảo vệ = TFFT/4 = 64. Đặc biệt là khoảng bảo vệ được thiết lập bằng các giá trị là ‘0’. Do đó dễ dàng thấy giữa các khối ký hiệu OFDM có sự phân tách nhau bởi một đoạn giá trị ‘0’.

Hiệu quả sử dụng phổ tần cao của OFDM được thể hiện ở hai khía cạnh chính: (1) do cơ chế truyền dẫn song song. (2) dùng thêm khoảng bảo vệ đã làm giảm đáng kể tốc độ ký hiệu OFDM. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi truyền dẫn tín hiệu OFDM qua kênh vô tuyến và là một nhân tố chính để chống lại kênh pha đinh lựa chọn tần số.

Tính hữu hiệu của khoảng thời gian bảo vệ

Chống lại lỗi dịch thời gian

Lỗi dịch thời gian là lỗi do quyết định sai biên giới của ký hiệu thu, lỗi này làm tổn thất toàn bộ thông tin chứa trong ký hiệu bị quyết định sai biên giới.


Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

Hình 3.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian,[sim_ofdm_signal.m]

35


Đối với một kênh lý tưởng không có trải trễ thì phía thu có thể xác định chính xác từng vị trí trong ký hiệu bao gồm luôn cả khoảng bảo vệ và vẫn lấy được số mẫu một cách chính xác mà không vượt quá đường biên ký hiệu. Trong môi trường đa đường thì ISI sẽ làm vị trí các ký hiệu bị xê dịch theo thời gian và chồng lấn lên nhau, làm phía thu quyết định sai biên giới ký hiệu. Tuy nhiên do ký hiệu OFDM có khoảng bảo vệ nên ISI chỉ làm giảm chiều dài của khoảng thời gian bảo vệ mà không ảnh hưởng đến phần dữ liệu cho nên sẽ hạn chế được lỗi dịch thời.

Đối phó với ISI

Việc thêm vào khoảng thời gian bảo vệ sẽ cho phép giảm thời gian biến động của tín hiệu. Để loại bỏ ảnh hưởng của ISI thì khoảng bảo vệ sẽ phải có độ dài lớn hơn trải trễ cực đại của kênh vô tuyến. Hình 3.15 mô tả ảnh hưởng của ISI lên ký hiệu thu trong môi trường đa đường, đồng thời cũng cho thấy hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại những tác động của môi trường đa đường này. Ví dụ này thể hiện pha tức thời của một sóng mang tại 3 ký hiệu.

Khoảng bảo vệ sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của ISI. Tuy nhiên trong thực tế, các thành phần đa đường có xu hướng suy giảm chậm theo thời gian, hậu quả vẫn tồn tại một chút ISI thậm trí khi sử dụng khoảng thời gian bảo vệ dài. Hình 3.16 là kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI [8]. Băng tần kênh được giữ nguyên trong các lần mô phỏng. Mô phỏng thực hiện thay đổi giá trị chiều dài khoảng bảo vệ và kích thước FFT đối với tín hiệu OFDM, và so sánh SNR thu được ứng với mỗi lần thay đổi hai thông số này. Kết quả cho thấy SNR tăng khi chiều dài khoảng bảo vệ cùng kích thước FFT tăng.


Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI

36


3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ 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 và ảnh hưởng của ICI

ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần số), nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu.

Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao.

Giải pháp khắc phục

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, và dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Các hoa tiêu giúp cho việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI (chương 4 sẽ trình bầy kỹ hơn về bộ cân bằng này).

Phân tích ICI trong hệ thống OFDM

Biểu thức lý thuyết để tính phương sai ICI bằng cách mô hình ICI như là quá trình ngẫu nhiên Gauss. Sự xấp xỉ này là do lý thuyết giới hạn trung tâm và sẽ chính xác khi số sóng mang lớn. Phương sai nhiễu ICI được tính như sau:

(3.19)

trong đó là ICI, E là năng lượng cho mỗi ký hiệu, Nsub là số sóng mang con, fd là tần số Doppler, Tsym là độ rộng ký hiệu và J0 là hàm Bessel loại một, bậc '0'. Lưu ý rằng phương sai ICI không phụ thuộc vào tín hiệu phát mà chỉ phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền. Tỷ số lỗi bít đối với PSK nhất quán trong kênh pha đinh Rayleigh có thể tính như sau:

(3.20)


Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI

37


Biết được công suất ICI từ biểu thức (3.19) ta có thể tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR). Giá trị SIR này được thay cho ở biểu thức trên để tính tỷ số lỗi bít. Hình 3.17 mô phỏng nhiễu nền do ICI đối với điều chế PSK với giá trị tần số Doppler tăng dần. Kết quả lý thuyết tìm được cũng phù hợp với kết quả mô phỏng trên. Hình 3.18 mô phỏng ảnh hưởng của ICI và sự giảm của SIR khi giá trị tần số Doppler tăng. Từ hình 3.17 và 3.18 cho thấy công suất ICI phụ thuộc vào số lượng sóng mang con. Khi càng tăng số lượng sóng mang con thì phương sai ICI càng tăng và SIR càng giảm.

Công suất ICI được tính toán và biểu diễn theo hàm của sóng mang con thứ k . Do đó ở đầu ra của khối FFT, sóng mang con đầu ra thứ k được viết như sau.


Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau, [sim_var_ICI.m]

Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu, [sim_SNR_ici.m]

38


(3.21)

Trong đó y(n) là tín hiệu thu được, N là kích thước FFT, dk là ký hiệu phát đi ban đầu, Hk là biến đổi Fourier của kênh ở sóng mang con thứ k, là thành phần ICI do tính biến đổi thời gian của kênh và nk là thành phần tạp âm ở sóng mang con thứ k. Trong kênh bất biến theo thời gian do tính trực giao của các sóng mang con nên bằng không và . Khi tần số Doppler chuẩn hoá cao thì thành phần ICI là khác không. Công suất ICI được tính và biểu diễn theo hàm của sóng mang con thứ k như sau:

(3.22)

ở đây Nsub là số lượng sóng mang con và công suất ICI chuẩn hoá được biểu diễn như là trong đó được định nghĩa như sau:

(3.23)

Hình 3.19 thể hiện ICI đối với mỗi sóng mang con là khác nhau. Sóng mang trung tâm sẽ có công suất ICI hơn các sóng mang biên. Từ hình vẽ 3.20 ta thấy khi kích thước FFT tăng lên thì công suất ICI cũng tăng lên nhanh chóng. Do đó tăng kích thước FFT mặc dù sẽ tăng chiều dài ký hiệu và tất nhiên sẽ giảm được ISI nhưng bù lại thì lại làm tăng ICI. Cho nên trong thực tế cần lựa chọn kích thước FFT hợp lý. Chương 5 sẽ giới thiệu kỹ hơn về tương quan giữa kích thước FFT và số lượng sóng mang con dùng để truyền dữ liệu.


Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102, [sim_var_ici_smtt_sm_b.m]

39


3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray

Các ảnh hưởng

Tạp âm tồn tại trong toàn bộ hệ thống truyền thông. Nguồn tạp âm chính là tạp âm nhiệt nền, tạp âm điện trong bộ khuếch đại phía thu. Ngoài ra tạp âm được tạo ra trong nội bộ hệ thống như ISI, ICI và IMD. Chúng làm giảm SNR và làm giảm hiệu quả phổ tần của hệ thống. Vì thế cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tạp âm đối với tỷ lệ lỗi truyền thông và hoà hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần.

Hầu hết tạp âm trong các hệ thống truyền thông vô tuyến đều được mô hình hoá AWGN. Tạp âm cùng với nhiễu gây ra nhoè điểm vector phát tới máy thu và quay pha các vector này, từ đó gây lỗi dữ liệu do quyết định sai vector thu.

Giải pháp khắc phục

Một giải pháp là nếu tồn tại hai vector cạnh nhau chỉ khác nhau một bit thì khi quyết định sai chỉ xảy ra lỗi một bit, đây chính là phương pháp mã hoá Gray.

Mã hoá Gray: là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao sẽ chỉ khác nhau một bit. Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn. Thường tiến hành mã hoá Gray khi điều chế M-QAM hay M-PSK [3].

Phương trình (3.24) là chuỗi mã dưới dạng thập phân cho mã hoá Gray. 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 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2), [sim_var_ici_vs_fft_size.m]

40


(3.24)

Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân

Cơ số 10 Mã hóa Gray

Cơ số 10 Mã hóa Gray

0 0,0,0,0 8 1,1,0,0 1 0,0,0,1 9 1,1,0,12 0,0,1,1 10 1,1,1,13 0,0,1,0 11 1,1,1,04 0,1,1,0 12 1,0,1,05 0,1,1,1 13 1,0,1,16 0,1,0,1 14 1,0,0,17 0,1,0,0 15 1,0,0,0

Sơ đồ điều chế tín hiệu 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray, được cho trong hình 3.21. Hình 3.22, 3.23 minh hoạ sơ đồ IQ cho số trạng thái điều chế QAM và PSK khác nhau.


Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray

41


3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM

Nguyên nhân

Phổ tín hiệu OFDM là phổ tổng hợp của các thành phần tần số sóng mang con, mà phổ tần của các sóng mang con có dạng sinc. Do đó phổ tổng hợp của chúng sẽ có đường bao bên chiếm một lượng băng tần khá lớn. Các đường bao bên này chính là các thành phần tần số ngoài băng (aliasing).

Biện pháp khắc phục


Hình 3.22 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64-PSK và 128-PSK, [sim_generate_psk]

Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024-QAM, [sim_generate_qam.m]

42


Tần số ngoài băng sẽ được loại bỏ khi dùng một bộ lọc băng thông, hoặc dùng khoảng bảo vệ cosin tăng.

3.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông

Tín hiệu OFDM trước khi truyền được lọc bằng bộ lọc băng thông để chặn các thành phần tần số ngoài băng. Quá trình cắt của bộ lọc rất gọn, điều này cho phép phân chia các khối tín hiệu OFDM, mà các khối này được xếp rất gần nhau trong miền tần số, kết quả sẽ cải thiện hiệu quả phổ tần. Nhưng sự lọc rất khít này sẽ giảm SNR và phải quan tâm những ảnh hưởng của nó khi thiết kế một hệ thống OFDM.

Bộ lọc băng thông sẽ loại bỏ đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM. Số lượng đường bao bên bị loại bỏ phụ thuộc vào hình dạng của bộ lọc (hình dạng cửa sổ lọc). Trong đồ án thường dùng cửa sổ Kaiser để chặn các thành phần tần số không mong muốn. Hàm cửa sổ Kaiser được định nghĩa:

(3.25)

Trong đó: I0(x) là hàm bessel loại một, bậc 0. β là tham số dùng để điều khiển dạng chóp hai phía cửa sổ, N là kích thước bộ lọc . Hàm bessel được xác định:

(3.26)

Tham số β được xác định dựa trên yêu cầu về độ suy giảm trong dải chắn:

(3.27)

Trong đó là tham số xác định chiều cao đường bao bên (sidelobe) của bộ lọc FIR.

Tham số tác động đến sự suy giảm đường bao bên của biến đổi FFT của bộ lọc. Khi tăng thì biên độ đường bao bên sẽ giảm.

Hiệu năng của bộ lọc được xác định bởi ba tham số chính:

Biên độ đường bao bên β

Độ rộng quá độ

Số lượng nhánh

Độ rộng quá độ được chuẩn hoá theo số lượng nhánh của bộ lọc như sau:

(3.28)

Trong đó wt là độ rộng của hàm cửa sổ, N là số lượng nhánh bộ lọc, f s là tốc độ lấy mẫu (Hz).

Số lượng nhánh của bộ lọc FIR được xác định theo công thức:



(3.29)

Trong đó: NIFFT là số lượng điểm lấy FFT, hàm ceil(x) xem mục 6.2.2

Hình 3.24 minh hoạ đặc tuyến của bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị f t khác nhau, ta thấy ft càng nhỏ thì tác dụng cắt càng hiệu quả.

Hình 3.25 minh hoạ cấu trúc của một cửa sổ Kaiser với tham số và Ta thấy dạng cửa sổ Kaiser rất gọn do đó hiệu quả cắt gọn phổ tín hiệu sẽ rất cao, trong thực tế thường dùng cửa sổ Kaiser hoặc Hamming.

Phổ rời rạc của tín hiệu OFDM trong miền thời gian được ước tính như sau:

(3.20)

Trong đó s(t) là tín hiệu OFDM trong miền thời gian, w(t) là hàm cửa sổ sử dụng, WL là giá trị suy giảm của hàm cửa sổ, N là số lượng mẫu trong s(t), P(s) là phổ công suất tính theo dB. N = kích thước FFT + Kích thước khoảng bảo vệ. Hình 3.26 là phổ của tín hiệu


Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4, [sim_filter.m]

Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với , và ,[sim_kaier_window.m]

44


OFDM với 52 sóng mang (chuẩn HiperLAN/2) và 1536 sóng mang (chuẩn DAB mode I).

Bộ lọc loại bỏ hầu như toàn bộ các đường bao bên. Tuy nhiên nếu chọn giá trị độ rộng của cửa sổ quá nhỏ (cửa sổ quá hẹp) thì bộ lọc sẽ cắt đáng kể năng lượng của các sóng mang ngoài cùng và gây méo hình dạng phổ của chúng, đây là nguyên nhân gây ICI do dùng bộ lọc. Hình 3.28 là một trường hợp như vậy.


Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc, [sim_ofdm_spectrum.m]

(a) (b)

(a)Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ

lọc với cửa sổ Kaiser với (b), [sim_ofdm_spectrum.m]

(b)

45


Hình 3.29 chỉ ra hiệu năng của một hệ thống OFDM tương ứng theo chuẩn HiperLAN2 hay IEEE802.11a. Trong trường hợp này sử dụng 52 sóng mang con, và khoảng thời gian bảo vệ là 20% chiều dài ký hiệu. SNR thay đổi theo số lượng sóng mang con khi bộ lọc gây méo đáp ứng với hầu hết các sóng mang con rìa. Sơ đồ điều chế cao nhất được sử dụng trong hệ thống HiperLAN2 và IEEE802.11a là 64-QAM, và sơ đồ này yêu cầu SNR lớn hơn 26 dB. Chúng ta có thể thấy kết quả trong hình 3.29 khi SNR thực vượt quá 26 dB đối với toàn bộ các sóng mang thậm trí khi sử dụng bộ lọc băng thông rất sắc cạnh và đặc tuyến cắt trong phạm vi một nửa khoảng cách sóng mang con [8].


Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với , [sim_ofdm_spectrum.m]

46


Trong đó: carr.cutoff, là độ rộng quá độ ft của bộ lọc. Trong hình 3.29 (a) và 3.29 (b) thì ft thay đổi t ừ 0.5 -10 khoảng cách sóng mang con.

Dựa trên kết quả trong hình 3.29 ta thấy khi độ rộng quá độ tăng thì SNR của tín hiệu sẽ giảm, đây cũng chính là một nhược điểm chính của bộ lọc băng thông. Cho nên ta cần dung hoà giữa đặc tuyến cắt của bộ lọc và SNR yêu cầu. Tuy nhiên bộ lọc băng thông có ưu điểm chính là cho phép loại bỏ đường bao bên của tín hiệu OFDM và giảm băng tần thực của hệ thống, điều này sẽ cải thiện hiệu quả phổ tần.

3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM là làm dốc khoảng bảo vệ, ép nhọn nó đến ‘0’ trước ký hiệu tiếp theo. Sự ép nhọn khoảng chuyển giao giữa các ký hiệu sẽ giảm công suất đường bao bên.

Hình 3.30 minh hoạ cách tạo một ký hiệu OFDM dùng khoảng bảo vệ cosin tăng (RC). Khoảng bảo vệ này do được lấy cửa sổ với hình dạng một hàm cosin bình phương (cos()2) vì thế mà có tên là cosin tăng.

Phần cosin tăng của khoảng bảo vệ có thể chồng lấn lên ký hiệu trước và sau vì phần này chỉ tạo ra sự bảo vệ nhỏ chống lại đa đường và lỗi định thời. Tính chất giảm dần đến ‘0’ của RC làm ISI do nó gây ra sẽ rất thấp, mặt khác khoảng bảo vệ RC rất nhỏ và sẽ được bỏ qua tại phía thu.


Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc

Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC

47


Tính chồng lấn giúp tạo khoảng bảo vệ RC hai phía ký hiệu mà không tăng thêm thời gian ký hiệu. Hình 3.31 thể hiện hai ký hiệu OFDM có khoảng bảo vệ RC chồng lấn.

Chiều dài khoảng bảo vệ RC được xác định theo phần trăm của phần phẳng của ký hiệu OFDM, đó là:

(3.21)

Trong đó RC là phần trăm cosin tăng, TGRC là chiều dài của khoảng bảo vệ RC, TFFT là chiều dài của phần FFT của ký hiệu và TGF là chiều dài của phần khoảng bảo vệ phẳng. Bảng 3.3 sẽ giới thiệu các tham số RC theo chuẩn IEEE 802.11a.

Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a

Tham số Ký hiệu Giá trị

Thời gian FFT TFFT 3.2

Khoảng bảo vệ RC TGRC 100 ns

Khoảng bảo vệ tổng TG = TGRC + TGF 800 ns

Khoảng bảo vệ phẳng TGF = TG - TGRC 700 ns

Từ bảng 3.2 ta tính được phần RC là:

Ảnh hưởng của phần cosin tăng khi thêm vào ký hiệu OFDM được mô phỏng để xác định mức độ tần số ngoài băng. Hình 3.32, hình 3.33 và 3.34 minh hoạ phổ của tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC thay đổi [8].


Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC chồng lấn

48



Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi



49


Xuất hiện sự khác nhau giữa biên độ của các đường bao bên khi không dùng hoặc dùng một khoảng bảo vệ cosin tăng nhỏ. Mô phỏng cũng chỉ ra rằng số lượng sóng mang con tăng từ 20 (hình 3.32) đến 4000 (hình 3.34) thì biên độ của đường bao bên (cách biên phổ là 200 khoảng cách sóng mang con) sẽ tăng lên 8 dB.

Mặc dù khi RC tăng, tần số ngoài băng suy giảm nhiều tuy nhiên băng tần tín hiệu OFDM vẫn khá rộng: Theo HiperLAN/2, dùng 52 sóng mang con, khoảng cách sóng mang = 312.5 KHz. Do đó tại ngưỡng SNR = -40 dBc (công suất so sánh với công suất tín hiệu) đường bao bên sẽ cách biên phổ tín hiệu 30 khoảng cách sóng mang.

Vì vậy băng tần tổng của hệ thống sẽ là MHz, mà băng tần hệ thống HiperLAN/2 chỉ có 20 MHz. Điều này cho thấy việc thêm vào khoảng bảo vệ RC là không đủ để giảm đường bao bên đáng kể vì thế cần phải dùng thêm bộ lọc băng thông.

3.6 Kết luận

Trong chương này đã nghiên cứu những nguyên lý hoạt động cơ bản của OFDM, phân tích các phần tử của mô hình và các thông số đặc trưng cùng dung lượng hệ thống OFDM, phân tích hiệu quả phổ tần vượt trội của OFDM, phân tích sự cần thiết của khoảng bảo vệ trong việc chống lại ISI do trải trễ đa đường của kênh, phân tích ảnh hưởng của ICI đến hiệu năng của hệ thống OFDM. Mặt khác, chứng minh hiệu quả sử dụng bộ lọc băng thông trong việc tiết kiệm phổ tần hệ thống, nghiên cứu hiệu năng của OFDM sử dụng các sơ đồ điều chế sóng mang con khác nhau M-PSK, M-QAM trong kênh AWGN và kênh pha đinh Rayleigh.


Chương 4: Ước tính và cân bằng kênh Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 4

Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh

4.1 Giới thiệu

Thích ứng các thông số điều chế trong miền thời gian M-QAM và các thông số của OFDM theo thông số của kênh pha đinh để có được hiệu năng QoS (BER) và thông lượng truyền dẫn cao nhất. Thì trước hết ta phải biết được thông số đặc trưng của kênh liên quan đến hiệu năng hệ thống. Vì vậy cần phải có các giải pháp ước tính chất lượng kênh, các thông số ước tính này làm cơ sở cho thích ứng. Theo đó chương này đồ án đề cập một số phương pháp ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh.

4.2 Ước tính kênh bằng PSAM

Trong phần này sẽ đề cập kỹ thuật ước tính kênh dựa trên phương pháp chèn thêm ký hiệu hoa tiêu ở phía phát. Phương pháp này được gọi là PSAM (Pilot Symbol Assited Modulation). Trong PSAM, một ký hiệu hoa tiêu biết trước được ghép xen với dữ liệu phát trong miền thời gian. Cấu trúc một khung dữ liệu có chèn ký hiệu hoa tiêu được cho trong hình 4.1. Hai tham số quan trọng ảnh hưởng tới kỹ thuật ước tính kênh là trải trễ và trải Doppler.

Các ký hiệu hoa tiêu được định kỳ chèn vào chuỗi thông tin trước khi tạo dạng xung. Mục đích của ký hiệu hoa tiêu là máy thu có thể ước tính được giá trị kênh tại thời điểm truyền ký hiệu này. Với giá trị các ký hiệu hoa tiêu thu được tại phía thu và sử dụng phương pháp nội suy thích hợp có thể xác định được giá trị kênh hiện thời.

Áp dụng định lý lấy mẫu Nyquist, ta được quan hệ yêu cầu giữa tần số Doppler fd và chu kỳ ký hiệu và độ dài khung N (khoảng cách giữa các ký hiệu hoa tiêu ).

(4.1)

Tín hiệu x(t) khi truyền qua kênh có đáp ứng xung kim h(t) thì tín hiệu tại đầu ra của kênh sẽ là:

(4.2)



Trong đó là đáp ứng kênh bị méo do pha đinh, n(t) là tạp âm Gaussian trắng cộng có trung bình 0, dấu biểu thị tích chập. Các đại lượng có thể là thực hoặc phức do tính chất của các sơ đồ điều chế. Có rất nhiều phương pháp nội suy giá trị kênh, tuy nhiên đồ án giới thiệu ba loại chính đó là: nội suy Gauss, nội suy Wienner, nội suy FFT.

4.2.1 Nội suy Gauss

Nội suy Gauss là phương pháp nội suy đơn giản nhất. Thay đổi pha đinh được ước tính

tại , giá trị kênh nội suy tại các thời điểm này được xác định như sau:

(4.3)

Trong đó TF là thời gian khung; , N là độ dài khung. Các thừa số trọng số cho nội suy Gauss bậc hai được xác định như sau:

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Trong trường hợp nội suy bậc 0, các thừa số trọng số được xác định như sau:

(4.7)

(4.8)

(4.9)

4.2.2 Nội suy FFT

Giải thuật FFT thực hiện bằng cách nhận N điểm số liệu đầu vào và chuyển đổi chúng sang miền tần số bằng cách dùng FFT (biến đổi Fourier nhanh).

EMBED Visio.Drawing.11

Quay pha

Hình 4.2 Giải thuật FFT

FFTNội suy không

IFFT Cắt ngắn

Các dãy fading2Nb

Các dãy fading2Nb

Miền thời gian Miền tần số Miền thời gian



Số liệu ước tính đầu vào bộ ước tính kênh FFT là tỷ số giữa các ký hiệu hoa tiêu thu và các ký hiệu hoa tiêu biết trước. Hệ số này cho ta đo méo mà ký hiệu hoa tiêu gặp phải do pha đinh phẳng. Tập các hệ số này tạo nên vector đầu vào FFT. Sau đó ta thực hiện FFT vector này.

(4.10)

Trong đó 2Np là số kỳ hiệu hoa tiêu dùng để ước tính kênh, g(l) là vector các mẫu kênh nhận được từ phép chia các ký hiệu hoa tiêu nhận được cho các ký hiệu hoa tiêu đã biết trước. Quá trình này cho ta một vector các mẫu kênh trong miền tần số. Để thu được các giá trị kênh ước tính trong miền thời gian ta có thể thực hiện ngay biến đổi IFFT (biến đổi Fourier ngược nhanh). Tuy nhiên nếu làm như vậy sẽ tạo ra hiệu ứng biên trong đường bao kênh làm giá trị kênh ước tính không chính xác. Sở dĩ có điều này do kích cỡ của khối sử dụng FFT có hạn, điều này sẽ tạo ra các thành phần dò. Để tránh hiệu ứng này ta cần đảm bảo độ rộng khoảng thời gian của g(l) bằng bội số nguyên lần của 1/fd. Do đó để tạo tính chính xác cho ước tính phải tiến hành chèn 0 trong miền tần số, sau đó cắt bỏ phần này trong miền thời gian. Vậy giá trị G(n) sau khi chèn sẽ là:

(4.11)

Trong đó N là hệ số chèn, được coi là tuần hoàn, nghĩa là:

(4.12)

N và Np đều là hàm mũ của 2 để có thể sử dụng được FFT và IFFT. Nếu phương trình (4.1) được thoả mãn thì G(n) sẽ có tất cả các thành phần của kênh pha đinh và khi n = Np

thì . Từ đó có thể nội suy từ 2Np ký hiệu bằng cách chèn ‘0’ thành 2NNp ký hiệu.

Sau đó biến đổi IFFT cho các mẫu kênh trong miền tần số để chuyển chúng sang miền thời gian. Quá trình này sẽ được thực hiện như sau:

(4.13)

4.2.3 Nội suy Wienner

Giả sử r(iN) là vectơ cột được hình thành từ các ký hiệu hoa tiêu thu chia cho các ký hiệu hoa tiêu biết trước. Vectơ này cho ta méo ước tính trong các ký hiệu hoa tiêu tại máy thu. Để đánh giá các hệ số méo đối với các ký hiệu số liệu, ta tính vectơ hệ số h(k) thỏa mãn phương trình Wienner-Hopf .

(4.14)

Trong đó w(k) và R là hàm tự tương quan ước tính của tín hiệu thu và hàm tương quan giữa tín hiệu thu và số liệu được tính như sau:



(4.15)

Trong đó q là tỷ số công suất hoa tiêu và công suất số liệu, là tỷ số năng lượng bit và công suất tạp âm, và

(4.16)

Hàm tự tương quan của tín hiệu thu là:

(4.17)

Trong đó là phiên bản chuẩn hóa hàm tự tương quan của độ lợi phức kênh, được xác định như sau:

(4.18)

Trong đó fd là tần số Doppler cực đại. Vectơ hệ số h được tính toán để thỏa mãn phương trình Wiener-Hopf. Bộ lọc Wiener đòi hỏi thông tin trước về tần số Doppler và tỷ số tín hiệu trên tạp âm để đánh giá kênh pha đinh.

4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh

Trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến số thì biên độ và pha tín hiệu sẽ bị méo do đặc tính phân tán của kênh. Tính chất này gây ra ISI cho ký hiệu thu, tuy nhiên có thể khôi phục những tín hiệu như vậy nếu chúng bị méo tuyến tính bằng cách dùng một bộ cân bằng. Có nhiều kỹ thuật cân bằng khác nhau như: ZF (cưỡng bức ‘0’), LMSE (trung bình lỗi bình phương tuyến tính), DFE (phản hồi quyết định). Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ cân bằng:

Trong đó H(f), C(f) là hàm truyền đạt của kênh và của bộ cân bằng, s(k), và là tín hiệu phát và tín hiệu sau cân bằng.

4.3.1 Bộ cân bằng cưỡng bức không



Bộ cân bằng ZF được thiết kế và được tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn cưỡng bức về không (ZF), tức là buộc tất cả các đóng góp xung kim của phía phát, kênh và bộ cân bằng đều bằng 0 tại các thời điểm truyền dẫn nT ( ), trong đó T là khoảng thời gian truyền dẫn. Nhờ tính chất này mà ZF đảm bảo ISI xấp xỉ bằng 0. Trong miền tần số ZF được miêu tả bằng quan hệ:

(4.19)

Hay (4.20)

Vì thế bộ cân bằng trở thành bộ lọc FIR (đáp ứng xung kim hữu hạn). Phân tích bộ lọc dựa trên nghiên cứu MSE được cho bởi:

(4.21)

(4.22)

Trong đó là giá trị lấy kỳ vọng của (.) và e đại diện cho giá trị lỗi tín hiệu tại phía thu. Mặt khác:

(4.23)

Trong miền tần số sẽ là:

(4.24)

Thay (4.19) vào (4.24) ta được:

(4.25)

Trong đó E(f) là biến đổi Fourier của e(k). E(f) là mật độ công suất tín hiệu lỗi, sử dụng định lý Parseval ta có sai lỗi trung bình bình phương trong miền thời gian sẽ là:

(4.26)

Nếu N(f) là mật độ phổ công suất hai phía N0/2 thì:

(4.27)

Ưu điểm của bộ cân bằng ZF là bù đáp ứng kênh tại vị ví đáp ứng kênh bị suy giảm, tuy nhiên cả tín hiệu và tạp âm đều được tăng cường vì vậy sẽ giảm hiệu năng của bộ cân bằng. MSE đầu ra bộ cân bằng chỉ gồm có nhiễu do đó hoàn toàn loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Vì thế mà MSE đầu ra bộ cân bằng có thể dùng để đo mức tạp âm gây ra bởi bộ cân bằng. Một vấn đề nữa là nếu đáp ứng của kênh có điểm ‘0’ thì tại đó MSE sẽ vô cùng, làm cho bộ cân bằng không tin cậy nữa. Để khắc phục hạn chế này sẽ dùng một kỹ thuật cân bằng là LMSE.



4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE

Trong đó tương ứng là tín hiệu thu và tham số bộ cân bằng. Bộ cân bằng gồm 2N+1 nhánh, đước đánh thứ tự từ đến và C0 là nhánh trung tâm của bộ cân bằng. Có thể tính toán các hệ số của bộ cân bằng theo hai cách: Cách thứ nhất tính Cm

bằng cách đặt MSE trong (4.21) bằng ‘0’ và sau đó giải phương trình này. Cách thứ hai dựa trên hoạt động trực giao, khi coi rằng lỗi dư của bộ cân bằng trực giao với tín hiệu đầu vào bộ cân bằng, vì thế ta có:

(4.28)

Từ hình 4.4, tín hiệu sau khi cân bằng sẽ là:

(4.29)

Tín hiệu thu sẽ là:

(4.30)

Trong đó hi là CIR nhánh thứ i, Lc là chiều dài CIR. Sử dụng phương trình (4.21), (4.22) và (4.30) ta có:

(4.31)

Giả sử các bit phát là dừng theo nghĩa rộng, khi đó:

(4.32)

Trong đó là công suất phát tín hiệu, vì tạp âm không tương quan nên ta có:

(4.33)



Thay (4.32) và (4.33) vào tổng thứ nhất của vế phải (4.31) sẽ được:

(4.34)

Phần tổng thứ hai của vế phải (4.31) với cách tính tương tự sẽ được:

(4.35)

Trong đó là hàm delta dirac. Khi thay phương trình (4.34) và (4.35) vào (4.31) ta được:

(4.36)

Phương trình (4.36) tạo thành 2N-1 phương trình tuyến tính. Giải các phương trình này sẽ thu được các tham số bộ lọc tối ưu theo chuẩn MSE.

Lỗi MMSE được xác định thông qua các tham số của CIR và bộ cân bằng theo phương trình:

(4.37)

Để hiểu rõ hoạt động của MSE ta hãy thực hiện tính toán các giá trị của bộ cân bằng trong miền tần số như sau:

(4.38)

Trong đó , , với là công suất phát tín hiệu, giả thiết rằng tạp âm

và tín hiệu không tương quan với nhau, vì thế ta có:

(4.39)

Ước tính bình phương của phương trình trên ta được:

(4.40)

Từ (4.26) dễ dàng thấy để cực tiểu thì thành phần thứ nhất của (4.40) phải = 0 do đó ta sẽ tính được hệ số cân bằng tối ưu như sau:

(4.41)



Thay (4.41) vào (4.42) ta có lỗi trung bình bình phương cực tiểu là:

(4.42)

4.4 Kết luận

Ước tính và cân bằng kênh luôn là một kỹ thuật vô cùng quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến trước đây. Thực hiện ước tính kênh chính xác sẽ xác định được trạng thái kênh hiện thời và điều này sẽ quyết định thành công của các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ điều chế thích ứng. Kỹ thuật cân bằng kênh giúp hạn chế ảnh hưởng của kênh pha đinh lựa chọn tần số, và hiệu ứng đa đường của kênh vô tuyến, khi điều này là nguyên nhân chính hạn chế tốc độ và hiệu năng truyền dẫn. Trong chương này đã trình bầy phương pháp ước tính kênh bằng PSAM và giải thuật ước tính kênh FFT, nội suy Gauss và nội suy Wienner đồng thời giới thiệu các bộ cân bằng: cân bằng cưỡng bức '0', cân bằng lỗi trung bình bình phương tuyến tính LMSE. Tuy nhiên OFDM là một công nghệ cho phép hạn chế các ảnh hưởng bất lợi của kênh: Giảm tốc độ ký hiệu phát (cho phép hạn chế ảnh hưởng của kênh pha đinh lựa chọn tần số, chuyển các ảnh hưởng của kênh pha đinh lựa chọn tần số thành kênh pha đinh phẳng), thêm khoảng thời gian bảo vệ (cho phép giảm thiểu tác động của hiệu ứng đa đường, giảm ISI). Chính vì điều này mà các kỹ thuật ước tính và cân bằng kênh thực hiện trong các hệ thống truyền dẫn OFDM sẽ đơn giản hơn các hệ thống truyền dẫn thông thường rất nhiều.


Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 5

Điều chế OFDM thích ứng

5.1 Giới thiệu

Kênh vô tuyến thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, điều này làm giới hạn hiệu năng truyền dẫn và thông lượng của các hệ thống truyền thông vô tuyến. Điều chế thích ứng (AM) được sử dụng để thích ứng động tham số điều chế ứng với các thông số tức thời của kênh, nhằm mục đích đảm bảo chất lượng truyền dẫn và tăng thông lượng. Rõ ràng, điều chế thích ứng sẽ giải quyết những bất lợi của kênh vô tuyến.

Điều chế thích ứng rất khác so với điều chế truyền thống. Trong điều chế truyền thống thì công nghệ điều chế cơ bản được nghiên cứu và kết hợp với công nghệ mới hoặc được cải tiến. Tuy nhiên đối với điều chế thích ứng thì nó đòi hỏi cần nghiên cứu các mối quan hệ nội bộ giữa các tham số điều chế cũng như các tham số kênh và quan hệ giữa chúng. Vì thế, để xây dựng một thuật toán điều chế thích ứng hiệu quả thì trước tiên phải hiểu biết về các mối quan hệ này. Sau đó sẽ thiết lập tiêu chuẩn cho các thuật toán điều chế thích ứng để quyết định thay đổi các tham số điều chế như thế nào.

Rất nhiều công việc phải thực hiện đối với điều chế thích ứng. Tuy nhiên, đồ án sẽ không chỉ dừng lại ở những hoạch định hay công việc mang tính thủ tục về điều chế thích ứng. Trong chương này sẽ trình bầy khái niệm, quá trình phát triển, chiến lược và thủ tục thực hiện của điều chế thích ứng OFDM. Trước tiên sẽ mô tả một quá trình phát triển 3 tầng, kế hoạch và thủ tục làm việc cho các thuật toán điều chế thích ứng. Sau đó đặt ra yêu cầu cho các thuật toán thích ứng, như là thông lượng cho hệ thống OFDM. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số điều chế lên chất lượng của hệ thống OFDM. Sau đó lựa chọn một thuật toán tối ưu cho mô phỏng. Cuối cùng dựa trên kết quả mô phỏng đồ án sẽ phân tích hiệu năng của hệ thống trong trường hợp dùng và không dùng thuật toán thích ứng.

Tổng quan điều chế thích ứng

Với những tiến bộ của truyền thông vô tuyến thì các thuật toán điều chế thích ứng ngày càng trở nên hấp dẫn do tính linh hoạt, hiệu quả trong sử dụng phổ tần và thông lượng lớn, tạo nên chất lượng truyền dẫn cao. Các thuật toán thích ứng thay đổi giá trị của các tham số điều chế một cách động ứng với trạng thái tức thời của kênh. Khi kênh tốt các giá trị này sẽ thay đổi các tham số điều chế sao cho thu được thông lượng hệ thống lớn, khi kênh xấu khi này các giá trị sẽ điều khiển các tham số điều chế sao cho giảm thông lượng hệ thống để đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Điều này tạo cho hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả phổ tần, đảm bảo thông lượng truyền dẫn tốt nhất có thể đạt được.

Các hệ thống không dùng điều chế thích ứng sẽ sử dụng các tham số điều chế cố định để đảm bảo chất lượng truyền dẫn tại trạng thái tồi nhất của kênh truyền, và hệ thống sẽ có thông lượng như nhau tại mọi thời điểm. Tức là đã có sự dung hoà giữa chất lượng dịch vụ (QoS) và thông lượng truyền dẫn khi thiết lập các tham số này. Rõ ràng sẽ không tối ưu với sự thay đổi của kênh khi thiết lập các tham số ứng với trường hợp tồi nhất của

Dương Minh Khiêm, D2001VT 59


kênh, vì khi kênh tốt sẽ dẫn đến lãng phí hiệu quả phổ tần hệ thống. Điều chế thích ứng sẽ giải quyết các vấn đề tồn tại này. Thuật ngữ ‘wide-sense’ và ‘narrow-sense’ sẽ được giải thích thông qua sơ đồ sau:

Quá trình thích ứng sẽ tăng dần từ việc thích ứng trong việc lựa chọn các tham số điều chế trong nội bộ một phương pháp đa truy nhập (‘cảm biến hẹp’) cho đến thích ứng cấp cao hơn là lựa chọn giữa các phương pháp đa truy nhập (‘cảm biến rộng’). Tuy nhiên đồ án chỉ tập trung vào ‘cảm biến hẹp’, tức là thích ứng trong nội bộ một hệ thống.

5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng

5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng

Điều chế thích ứng chính là lựa chọn khuân dạng điều chế một cách động để thu được thông lượng tối ưu khi mức SNR thu biến đổi trong phạm vi rộng theo thời gian. Khái niệm cơ bản của điều chế thích ứng đó là cân bằng thời gian thực giữa dung lượng kênh và mức công suất phát, tốc độ ký hiệu phát, kích thước chòm sao, tỷ lệ mã, và sự liên quan giữa các tham số này.

Ứng với khái niệm trên sẽ có hai khía cạnh cần quan tâm (được chỉ ra trong hình 5.2) đó là tham số kênh và tham số điều chế. Trong thuật toán điều chế thích ứng thì các tham số điều chế được xác định bởi thuộc tính của kênh. Tức là các tham số điều chế sẽ là một hàm của các tham số kênh.

Tham số điều chế = f (tham số kênh).

Trong đó f(x) có nghĩa f là một hàm của x.



Trong thực tế thì các tham số kênh sẽ thay đổi do đó các tham số điều chế cũng sẽ thay đổi để thích ứng. Đây là lý do tại sao cần phải có các thuật toán thích ứng.

Nhiệm vụ của điều chế thích ứng đó là:

Tạo ra chất lượng dịch vụ truyền dẫn (QoS) cao.

Tạo thông lượng truyền dẫn cao.

Tuy nhiên trong đồ án sẽ thể hiện QoS ở dạng BER.

5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng

Hình vẽ cho thấy điều chế thích ứng được sử dụng để thay đổi các tham số điều chế theo trạng thái kênh. Để thực hiện điều này thì phía phát phải biết trạng thái kênh trước khi truyền dẫn, và thông tin về kênh phải tuyệt đối chính xác. Phương pháp xác định trạng thái kênh còn được gọi là ước tính kênh. Có hai phương pháp ước tính kênh khác nhau, cách thứ nhất là phía phát nhận thông tin hồi tiếp về kênh từ phía thu, cách thứ hai là phía phát tự ước tính kênh. Tuy nhiên đồ án sẽ tập trung vào phương pháp thứ nhất.

Có một vấn đề là, trong thực tế bộ thu không biết trước các tham số điều chế tại phía phát do đó công việc ước tính kênh sẽ trở nên cực kỳ phức tạp và không thể thực hiện



được trong phạm vi đồ án. Cho nên để thuận tiện cho việc nghiên cứu thì một số tham số điều chế được thiết lập ở phía phát sẽ được biết trước ở phía thu.

5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng

Sự khác nhau giữa hệ thống điều chế thích ứng và không thích ứng là: Thiết kế hệ thống không thích ứng dựa trên điều kiện kênh thống kê trên một khoảng thời gian; các tham số điều chế của hệ thống được gán trước, chúng được giữ nguyên không thay đổi; trong khi hệ thống điều chế thích ứng dựa trên trạng thái tức thời của kênh, vì thế các tham số điều chế sẽ thay đổi dưới những điều kiện kênh khác nhau. Để dùng hàm thích ứng thì một thuật toán điều chế thích ứng yêu cầu một vài luật để thay đổi các tham số điều chế. Hoạt động của các thuật toán thích ứng được xây dựng theo chuẩn nhằm mục đích tạo ra sự kết hợp tối ưu các giá trị tham số điều chế. Chúng được sử dụng một cách hiệu quả để mang lại chất lượng truyền dẫn hoặc thông lượng tốt hơn. Thuật toán điều chế thích ứng được thực hiện qua các bước sau:

1. Liệt kê toàn bộ các tham số liên quan đến đặc tính kênh.

2. Liệt kê toàn bộ các tham số liên quan đến đặc tính điều chế.

3. Tìm ra mối quan hệ giữa các tham số liên quan đến đặc tính kênh.

4. Tìm ra mối quan hệ giữa các tham số liên quan đến đặc tính điều chế.

5. Tìm ra mối quan hệ giữa tập tham số kênh và tập tham số điều chế.

6. Sau đó xây dựng một cơ sở dữ liệu cho các quan hệ được mô tả ở trên cho các thuật toán điều chế thích ứng, và sẽ cố gắng thể hiện quan hệ giữa QoS truyền dẫn và thông lượng với các tham số kênh và tham số điều chế. Vì đối tượng của thuật toán là cải thiện QoS và thông lượng.

7. Nghiên cứu tính khả thi và lợi dụng mỗi sự thay đổi của các tham số điều chế. Nghiên cứu tính khả thi này tập trung vào hai khía cạnh: có sự khả thi để thay đổi các tham số này theo lý thuyết hay không, và có thể lợi dụng sự thay đổi các tham số này hay không.

8. Xây dựng hoàn thiện thuật toán để thay đổi các tham số điều chế động tương ứng với các tham số kênh.

9. Đánh giá thuật toán điều chế thích ứng theo QoS và thông lượng dựa trên mô phỏng.

5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Cơ sở:

Thấy rõ, điều chế thích ứng cho phép tối ưu hoá hiệu năng hệ thống truyền tin: hiệu năng ở đây được hiểu là chất lượng dịch vụ BER (QoS) và thông lượng truyền dẫn (BPS). Muốn vậy, cần phải thích ứng các thông số điều chế theo chất lượng truyền của kênh một cách tức thì hay nói cách khác một khi biết được thông tin về trạng thái kênh ta hoàn toàn có thể xác định được các thông số điều chế thích hợp với nó sao cho tối ưu hoá được hiệu năng truyền tin. Tồn tại nhiều cơ chế thích ứng như: mức điều chế, sơ đồ điều chế, SNR phát, số lượng sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tốc độ trải phổ…



Các thuật toán thích ứng này được xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các tham số điều chế...thích ứng với trạng thái (điều kiện) của kênh.

Phân loại:

Dựa vào các thông số điều chế được chọn thích ứng với trạng thái kênh truyền một cách tức thì mà ta phân loại các cơ chế hay các thuật toán thích ứng khác nhau dưới đây đồ án trình bày một số giải thuật thích ứng điển hình.

5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con

Ý tưởng và giải pháp

Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên chất lượng truyền dẫn: Do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến nghĩa là hàm truyền đạt kênh truyền không bằng phẳng dẫn đến các thành phần tần số của tín hiệu tin nằm trong khoảng lồi lõm của đặc tuyến hàm truyền đạt kênh bị thăng giáng tương ứng (pha đinh chọn lọc tần số, phân tập tần số gây ra). Hậu quả làm cho lỗi ký hiệu sau bộ quyết định dẫn đến BER tăng (giảm QoS).

Giải pháp khắc phục hiện tại:

Dùng các bộ cân bằng kênh và cân bằng kênh thích ứng trong vùng tần số song hiệu quả thấp vì một khi tốc độ dữ liệu cao tính khả thi của các bộ cân bằng sẽ rất khó khăn không thể san phẳng toàn bộ đáp ứng kênh.

Phương pháp làm tăng giảm SNR của các sóng mang con thích ứng theo các vùng tần số lồi lõm của hàm truyền đạt kênh nghĩa là sẽ tăng công suất phát cho các thành phần tần số của ký hiệu OFDM nếu chúng nằm trong khoảng lõm của đáp ứng kênh và ngược làm giảm công suất phát của các thành phần tần số đó.

Giải pháp tăng hay giảm công suất đối với từng thành phần sóng mang con trong hệ thống OFDM rất phức tạp. Vì, thường quá trình thay đổi công suất được thực hiện sau khi đã điều chế sóng mang cao tần. Mà khi đã điều chế sóng mang cao tần, sẽ không thể tách từng thành phần tần số sóng mang con để khuếch đại hay giảm công suất được. Do đó chỉ có thể tăng hoặc giảm năng lượng cho các thành phần tần số sóng mang con tại bộ điều chế sóng mang con (xem lại chương 3) bằng cách thay đổi tham số trải phổ cho từng thành phần sóng mang, xem [2]. Theo đó, tăng công suất bằng cách tăng giá trị của tham số trải phổ và giảm công suất bằng cách giảm giá của trị tham số trải phổ. Tuy nhiên quá trình tính toán để tìm ra SNR cho từng thành phần tần số phía thu rất phức tạp.

Thực hiện

Trước hết, ta phân tích tỷ số tín hiệu/(nhiễu và tạp âm) SINR tại phía thu trên cơ sở đó thiết lập SNR phát cho từng sóng mang. Nếu sử dụng bộ cân bằng MMSE tại phía thu, thì ký hiệu được khôi phục là:

(5.1)

Trong đó:

(5.2)



Trong đó Q là ma trận tiền mã hóa, H là đáp ứng kênh xung kim, s i là tín hiệu phát trên sóng mang thứ i, vi là tạp âm trên sóng mang thứ i. SINR tại sóng mang con thứ k trong khối ký hiệu sẽ là:

(5.3)

Trong đó ek là một vector cột với phần tử thứ k bằng ‘1’ và các phần tử còn lại bằng ‘0’, là công suất tín hiệu trên sóng mang thứ k, là công suất tạp âm trên sóng mang thứ

k. Nếu lấy đối với toàn bộ các giá trị k, và định nghĩa và , ta có:

(5.4)

Thay giá trị SINR tính được ở trên vào công thức tính BER ta có:

(5.5)

Trong đó, đối với M-QAM thì .

Vì thế đối với bất kỳ giá trị BER xác định nào ta cũng tính được giá trị SIRN k tương ứng theo (5.5), sau đó sẽ tính được giá trị SNRk phát.

(5.6)

Một khi đã ước tính được giá trị SNR phát cho từng thành phần sóng mang thì dựa vào kết quả đó để điều khiển tham số trải phổ cho từng thành phần sóng mang.

Nhận xét:

Mặc dù phương pháp này thích ứng rất tốt đối với kênh pha đinh Rayleigh, tuy nhiên phương pháp này quá phức tạp và yêu cầu khối lượng xử lý lớn. Thực tế hay dùng phương pháp thích ứng theo mức điều chế (hay số lượng bit phân bổ cho mỗi ký hiệu OFDM).

5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế

Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được điều chế sóng mang con. Quá trình điều chế sóng mang con thực chất là quá trình chuyển mức các bit dữ liệu phát. Có các sơ đồ điều chế chuyển mức khác nhau được sử dụng trong hệ thống OFDM như: M-PSK, M-ASK, M-QAM. Tùy thuộc điều kiện kênh truyền hay yêu cầu tiết kiệm năng lượng mà ta sẽ chọn sơ đồ điều chế phù hợp. M-QAM có ưu điểm nổi bật là cấu tạo bộ thu đơn giản tuy nhiên tiêu tốn năng lượng phát nhiều hơn các sơ đồ điều pha. Đối với M-PSK thì hoàn toàn ngược lại tiết kiệm năng lượng phát nhưng cấu trúc bộ thu rất phức tạp. Thông thường mức điều chế sẽ thích ứng dựa trên cơ sở



BER phía thu (hay SNR phía thu). Tuy nhiên với điều kiện kênh tồi thì thường lựa chọn sơ đồ BPSK. Dưới đây là các mức SNR thu để điều khiển các mức điều chế [4].

Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu

Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAM

Dưới l1-k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát

l1-k đến l1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát

l1 đến l1+k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phátl1+k đến l2-k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK

l2-k đến l2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK

l2 đến l2+k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSKl2+k đến l3-k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM

l3-k đến l3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM

l3 đến l3+k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAMl3+k đến l4-k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM

l4-k đến l4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM

l4 đến l4+k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM Trên l4+k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM

Trong đó k là dải động điều khiển công suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển công suất sẽ càng lớn, thông thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các ngưỡng được ấn định như sau: =-, =8dB, =14dB và 4=20dB cho sơ đồ AQAM không bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên. Tương tự đối với sơ đồ AQAM có chặn, các mức ngưỡng thích ứng là =5dB, 2=8dB, 3=14dB, 4=20dB, trong đó máy phát bị cấm khi công suất tức thời thấp hơn 1. Ta coi rằng tại máy thu, ước tính và bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên ký hiệu cho giảm công suất. Hình 5.4 sẽ diễn tả trực quan cơ chế thích ứng này:

Dương Minh Khiêm, D2001VT

Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế

65


BER hệ thống được xác định theo công thức[4].

(5.7)

(5.8)

(5.9)

(5.10)

trong đó:

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Trong đó ký hiệu FR thể hiện là tín hiệu truyền qua môi trường kênh pha đinh Rayleigh. Phương pháp thích ứng này có ưu điểm là rất đơn giản chỉ cần so sánh SNR thu với SNR ngưỡng để quyết định sơ đồ điều chế phù hợp. Tuy nhiên với phương pháp này sẽ không tận dụng được những khoảng băng tần kênh có đáp ứng tốt, vì ở những đoạn băng tần kênh này có thể cho phép mức điều chế cao hơn mức thiết lập chung. Do đó để đảm bảo cho mức điều chế tối đa có thể có cho các thành phần sóng mang ít bị ảnh hưởng bởi kênh thì ta phải xây dựng thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang.

5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang

Ý tưởng:



Do tính chất chọn lọc của đáp ứng kênh trong miền tần số và miền thời gian nghĩa là pha đinh chọn lọc tần số và pha đinh chọn lọc thời gian hay nói cách khác đáp ứng kênh truyền vô tuyến không những thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo tần số. Vì vậy đối với kênh chọn lọc tần số tồn tại những khoảng băng tần kênh có độ biến động là chấp nhận được và không chấp nhận được, vì vậy cần phải tổ chức:

Vùng tần số của đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) ít bị thăng giáng: Truyền dữ liệu trên các sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có độ biến động chấp nhận được cải thiện BPS.

Vùng tần số của đáp ứng kênh (hàm truyền đạt) bị thăng giáng mạnh: Không truyền dữ liệu trên đó hoặc truyền trên nhiều sóng mang con (phân tán lỗi) cải thiện QoS.

Xây dựng giải thuật:

Dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân tập tần số (định nghĩa phân tập):

Với giả thiết là: (1) Cùng một độ rộng băng tần được cấp phát cho kênh (cùng tốc độ bit vào); (2) Cùng trạng thái kênh (cùng một đoạn băng tần bị thăng giáng, cùng số lượng các sóng mang con bị thăng giáng ); (3) trong cùng một khoảng thời gian khảo sát, có cùng số lượng bit được truyền, cùng khoảng thời gian mô phỏng.

Nếu số lượng sóng mang (N_Sub) được dùng để truyền dữ liệu là nhỏ, thì tỉ lệ giữa các sóng mang con bị lỗi trên toàn bộ sóng mang được dùng là lớn nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là lớn (BER tăng) ngoài ra còn gây lỗi cụm (các lỗi có tính chất tập trung). Như vậy, khi N_Sub nhỏ không những BER lớn mà còn tăng lỗi cụm.

Nếu ta dùng một số lượng lớn sóng mang để truyền dữ liệu thì sẽ có tác dụng giảm số lượng lỗi vì tỷ lệ sóng mang bị lỗi so với toàn bộ sóng mang sẽ rất nhỏ. Bởi vì, Nếu số lượng sóng mang (NSub) được dùng để truyền dữ liệu là lớn, thì tỉ lệ giữa các sóng mang con bị lỗi trên toàn bộ sóng mang được dùng là nhỏ nghĩa là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là nhỏ (BER giảm) ngoài ra còn không gây lỗi cụm (các lỗi không có tính chất tập trung (xét trên toàn bộ tốc độ bit đầu vào ở miền thời gian điều này hưởng lợi từ quá trình biến đổi nối tiếp thành song song)). Như vậy, khi NSub lớn không những BER giảm mà còn giảm lỗi lụm.

Trên đây là trường hợp chưa thực hiện thích ứng. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trên và thực hiện cơ chế thích ứng bằng cách:

Tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh: Một khi ta khảo sát trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thích ứng số sóng mang con NSub theo trạng thái kênh trong miền tần số cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS. hạn chế lỗi

Không truyền dữ liệu trên các sóng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ liệu trên sóng mang có tỷ lệ lỗi cho phép và sẽ không truyền trên các sóng mang có tỷ lệ lỗi vượt quá ngưỡng cho phép. Tất nhiên nếu ta dùng cơ chế thích ứng khi dùng số ít sóng mang con sẽ không hiệu quả về thông lượng vì có thể có trường hợp mà có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép do đó dữ liệu được truyền trên một số ít sóng mang còn lại, điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền dẫn. Do vậy để nâng



cao hiệu năng của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang thì số lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100). Vì chỉ hoạt động thích ứng trong miền tần số do đó đối với cơ chế thích ứng này sẽ giữ nguyên mức điều chế (M-QAM, M-PSK), song vẫn cải thiện được tốc độ truyền dẫn so với thuật toán chuyển mức điều chế A-QAM đơn thuần được thực hiện trong [4]. Vì vậy để ngăn chặn lỗi thì phải tiến hành chọn lọc thích ứng các sóng mang con.

Nếu chỉ dùng một sóng mang con (NSub =1) để truyền toàn bộ tốc độ bit đầu vào sẽ trở về A-QAM thông thường.

Vấn đề chính của thuật toán thích ứng chọn lọc sóng mang là phải xác định được BER cho từng thành phần sóng mang, sau đó so sánh với giá trị BER ngưỡng để quyết định sẽ không truyền dữ liệu trên thành phần sóng mang nào. Nếu giá trị BER trên sóng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký hiệu hoa tiêu vào thành phần sóng mang đó, các ký hiệu hoa tiêu này để đơn giản ta nên thiết lập giá trị là ’0’. Phía thu sẽ vẫn tiến hành thu và tính BER trên các sóng mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang này mà thấp hơn ngưỡng cho phép thì ta lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang này. Do đó việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn.

Nhận xét:

Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang là tận dụng cực đại hoá những khoảng băng tần ít biến động của kênh và giảm thiểu dữ liệu truyền trên những khoảng băng tần thăng giáng lớn của kênh hay nói cách khác giảm thiểu được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đó ở các thuật toán thích ứng khác như thích ứng mức điều chế (M-QAM thích ứng, M-PSK thích ứng...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần kênh, nên không thể tận dụng ưu điểm và đối phó nhược điểm trên đáp ứng kênh truyền trong miền tần số. Vì vậy, có thể nói rằng đây là giải thuật khá tối ưu để cải thiện hiệu năng BER và thông lượng truyền.

Nhằm phát huy tối đa lợi ích của phân tập tần số OFDM thích ứng.

Ví dụ: Đối với cơ chế thích ứng mức điều chế (A-QAM), giả sử đang ở mức điều chế 64-QAM khi SNR thu giảm đến ngưỡng chuyển sang phát 16-QAM, thì phải giảm mức điều chế xuống 16-QAM để đảm bảo chất lượng truyền dẫn BER. Nhưng nếu giảm xuống mức điều chế 16-QAM thì dữ liệu trên các thành phần tần số bị thăng giáng mạnh vẫn đảm bảo BER yêu cầu (do mức điều chế thấp), tuy nhiên ở các thành phần tần số bị thăng giáng ít thì nó đủ để truyền ở mức điều chế 64-QAM mà vẫn đảm bảo BER yêu cầu do đó sẽ lãng phí tốc độ truyền dẫn, do đó chưa tối ưu thông lượng (tốc độ truyền). Vì vậy, có thể khẳng định cơ chế chọn lọc thích ứng sóng mang sẽ giải quyết triệt để những nhược điểm này.

Nội dung của thuật toán chọn lọc thích ứng sóng mang được trình bầy ở mô hình giải thuật dưới đây:



Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi. Sau đó khối tính BER sẽ gửi kết quả tính toán đến khối quyết định chèn.

BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với thoại thông thường , trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu

.

Khối quyết định chèn: Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ, khối quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị BER trung bình ngưỡng ( ). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều (mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Công việc tiếp theo của khối quyết định là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến với giá trị

, nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > thì phần tử trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là không truyền dữ liệu trên sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Phần lập trình cho khối tính BER, BER ngưỡng và khối quyết định được thực hiện thông qua hàm ’ dem_loi’ được viết bằng công cụ MatLab. Lưu đồ thuật toán cho khối quyết định được mô tả như sau:

Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, nếu sóng mang nào có BER khi đó phần tử trong mảng QĐ có chỉ số bằng số thứ tự của sóng mang này sẽ có giá trị là ’1’ và ta phải tiến hành chèn ’0’ lên sóng mang này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên sóng mang này. Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng mang để đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu ’0’, và nếu sử dụng thì không chèn. Quá



trình sắp xếp này rất phức tạp, tuy nhiên nếu hiểu kỹ về cấu trúc của ký hiệu OFDM, và cấu trúc ký hiệu đem điều chế sóng mang con thì công việc sẽ dễ dàng hơn. Sau đây là lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn. Phần lập trình cho khối điều khiển chèn được thực hiện thông qua hàm 'chen_song_mang (sig_in)' được viết bằng công cụ MatLab.

Khối điều khiển giải chèn: Hoạt động của khối điều khiển giải chèn hoàn toàn ngược lại với khối điều khiển chèn. Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, dựa trên thông tin về các vị trí chèn khối này sẽ tiến hành giải chèn tức là loại bỏ những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và đưa những ký hiệu chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm ra đáp ứng kênh. Do tính chất hoạt động tương tự như khối điều khiển chèn cho nên lưu đồ thuật toán cũng tương tự như khối điều khiển chèn, cho nên sẽ không được đề cập ở đây. Phần lập trình cho khối điều khiển giải chèn được thực hiện thông qua hàm ‘giai_chen_song_mang (sig_in)’ được viết bằng công cụ MatLab.



5.6 Kết luận

Chương này đã giải thích thế nào là điều chế thích ứng, phân tích nguyên lý thích ứng chung cho các hệ thống truyền dẫn, phân tích các bước thực hiện cho các phương pháp thích ứng. Đồng thời đề xuất các phương án thích ứng: Thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lóc sóng mang. Phân tích ưu nhược điểm và tính khả thi của từng phương án thích ứng, cuối cùng đồ án chứng minh tính hiệu quả và tính khả thi của ba phương án thích ứng: thích ứng theo mức điều chế, thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang và phương án kết hợp hai phương án thích ứng này. Chương này cũng đã đề xuất mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang, đồng thời phân tích lưu đồ thuật toán hoạt động của các module thích ứng trong hệ thống.


Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án TN Đại học

Chương 6

Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

6.1 Giới thiệu

Các chương trình mô phỏng được viết cho các hàm đặc trưng của quá trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Muốn vậy, cần thuật toán hoá các hàm đặc trưng trên cơ sở đó chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp để viết chương trình mô phỏng. Đồ án chọn ngôn ngữ lập trình Matlab để thực hiện viết chương trình vì lý do sau: Matlab là ngôn ngữ lập trình bậc cao, ngôn ngữ kỹ thuật, ngôn ngữ chuyên gia có thư viện toán cực mạnh, giao diện đồ hoạ phong phú, khả năng tương thích các ngôn ngữ khác (cho phép nhúng các chương trình khác C, C++,... vào trong Matlab), cho phép tạo giao diện người dùng tiện lợi. Đặc biệt cho phép ứng dụng kết nối điều khiển thiết bị phần cứng bằng lập trình. Matlab có ưu việt nổi trội là khả năng mô phỏng hệ thống động, cho phép thể hiện tín hiệu và hệ thống trong nhiều miền xét (miền thời gian, miền tần số, miền Z.v.v..). Có lẽ vì thế mà hầu hết các trường đại học, các viện lớn đều chọn Matlab để phục công tác đào tạo, nghiên cứu phát triển, đặc biệt thực thi hoá kết quả công trình nghiên cứu vào thực tế. Với nội dung, tính chất đặc thù cũng như phạm vi xét của của đồ án, đồ tập trung khai thư viện toán của Matlab hay nói cách khác sử dụng các hàm cơ bản có trong thư viện, khai thác tối đa khả năng phân lớp hàm của Matlab để viết chương trình mô phỏng. Theo đó chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, dưới dạng các file.m (mỗi module hệ thống là một file). Chương trình cho phép người sử dụng dựa vào chương trình Code để nghiên cứu thuật giải cũng như mở rộng, bổ xung tính năng đặc biệt lấy dữ liệu kết quả tính toán từ các công thức theo ý muốn phù hợp với người nghiên cứu, ngoài ra chương trình cũng xây dựng giao diện tiện ích thân thiện khi này người dùng chỉ cần thực hiện các thao tác đơn giản trên giao diện tiện ích. Giao diện được tổ chức thành 4 cấp: giao diện cấp 1, giao diện con cấp 2, giao diện con cấp 3 và giao diện cấp 4. Người sử dụng có thể từ giao diện chính chọn đối tượng cần mô phỏng, vào các giao diện con để nghiên cứu chi tiết nội dung quan tâm, từ giao diện con dễ dàng trở lại giao diện chính để chọn đối tượng nghiên cứu khác. Để thiết kế hệ thống bằng Matlab người lập trình nếu chỉ có các kiến thức về máy tính là chưa đủ mà cốt lõi là phải có kiến thức của một chuyên gia trong lĩnh vực mà họ định viết chương trình mô phỏng.

6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

6.2.1 Mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM được cho ở hình 6.1. Dữ liệu của người dùng có thể là file text hoặc file ảnh thuộc các định dạng: JPEG, BITMAP, …Dữ liệu đọc được từ


Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Đồ án TN Đại học

file ảnh sẽ có dạng một vector 3 chiều, với các phần tử có dạng thập phân 1-256. Nhưng không thể truyền trực tiếp một vector 3 chiều được cho nên phải tiến hành chuyển đổi vector 3 chiều thành vector 1 chiều, sau đó để truyền qua hệ thống OFDM cần tiến hành chuyển đổi dữ liệu thập phân sang ‘từ’ nhị phân 8 bit. Bộ tính lỗi sẽ so sánh sự khác nhau giữa dữ liệu phát và thu và tính số lượng lỗi, sau đó hiển thị lỗi để tính hiệu năng của hệ thống. Dữ liệu nhị phân sau đó được đưa lên điều chế M-QAM, tiếp theo dữ liệu sau điều chế M-QAM được đưa đến bộ điều chế OFDM. Dữ liệu sau điều chế OFDM được phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ thực hiện ngược các công việc với phía phát. Dữ liệu cuối cùng có dạng vector 3 chiều với các phần tử có dạng thập phân sẽ được khôi phục dưới dạng file ảnh và hiển thị để so sánh với ảnh ban đầu. Hoạt động của khối tính BER, khối quyết định, khối điều khiển chèn, khối điều khiển giải chèn hoàn toàn tương tự như các khối này ở mô hình cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang được trình bầy trong chương 5. Trong phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang, nếu ngưỡng BER thiết lập ban đầu cho các thành phần sóng mang là đủ nhỏ thì ảnh truyền qua hệ thống AOFDM sẽ có chất lượng cao, ngược lại nếu ngưỡng BER được thiết lập lớn thì chất lượng ảnh sẽ tồi hơn. Tuy nhiên nếu ngưỡng BER được thiết lập quá nhỏ sẽ dẫn đến tốc độ truyền dẫn sẽ thấp khi điều kiện kênh quá tồi. Để tăng tốc độ truyền dẫn trong điều kiện kênh truyền như vậy hoặc ta phải tăng ngưỡng BER hoặc giảm mức điều chế.

Hình 6.1 chỉ trình bầy mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng dùng cơ chế chọn lọc sóng mang. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ thay vai trò của khối điều khiển chèn và giải chèn sóng mang con bằng khối điều khiển chuyển mức điều chế và sẽ không còn khối BER ngưỡng. Khối quyết định sẽ so sánh giá trị BER hiện thời của hệ thống nhận từ bộ tính BER với giá trị BER ngưỡng chuyển mức, và sẽ quyết định mức điều chế hợp lý ứng với giá trị BER hiện thời này. Thông tin từ khối quyết định sẽ đưa đến khối điều khiển chuyển mức điều chế, khối này sẽ thực hiện công việc chuyển mức.


Chương 6: Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng Đồ án tốt nghiệp Đại học

6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng

Thiết lập tính tương thích các thông số cho tín hiệu OFDM

Trong phần trên ta đã nghiên cứu về cấu trúc một tín hiệu OFDM, tuy nhiên để mô phỏng một tín hiệu OFDM sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Hai nhiệm vụ chính cần thực hiện trong quá trình mô phỏng một tín hiệu OFDM là:

Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con sử dụng để truyền dữ liệu.

Tương thích giữa số lượng sóng mang con sử dụng truyền dữ liệu và kích thước FFT.

Ngoài ra, các công việc khác như: chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, chèn khoảng bảo vệ, lọc tín hiệu OFDM dùng bộ lọc băng thông với hình dạng bộ lọc là cửa sổ Kaiser.

Để hiểu rõ quá trình mô phỏng tín hiệu OFDM, ta hãy xét một ví dụ mô phỏng một tín hiệu OFDM cụ thể với thời gian mô phỏng 1 giây. Giả sử các tham số hệ thống được mô tả trong bảng dưới đây.

Bảng 6.1 Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM

Tham số hệ thống Giá trị

Tốc độ dữ liệu đầu vào: Rb 12 Mbps

Số lượng sóng mang: Nsub 90

Kích thước FFT: NFFT 256

Mức điều chế sóng mang: M-QAM 16-QAM

Thời gian mô phỏng: Tsim 1 s

Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,083 µs

Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT Nsub×log2(M) ×T = 30 µs

Thời gian khoảng bảo vệ: TG 1/4 TFFT = 7,5 µs

Thời gian ký hiệu OFDM: Tsym TFFT + TG = 37,5 µs

Vì tốc độ dữ liệu là 12 Mbps, nên trong khoảng thời gian 1 giây mô phỏng sẽ có truyền. Nhưng do phương pháp điều chế sóng mang con là 16-QAM, do đó

số lượng ký hiệu 16-QAM sẽ là: ký hiệu.



Quá trình tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con

Mỗi sóng mang con trong một ký hiệu OFDM sẽ mang một ký hiệu dữ liệu. Khi số lượng ký hiệu không bằng bội số nguyên lần số lượng sóng mang con, để đảm bảo mỗi sóng mang con đều có dữ liệu truyền ta phải tiến hành chèn thêm các ký hiệu ‘0’.

Mà mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con, do đó một ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ dữ liệu truyền trên các sóng mang con. Trong trường hợp này mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa dữ liệu có trong 90 sóng mang con. Vì có điều này nên:

số lượng ký hiệu OFDM = ,

Trong đó: , với [x] là phần nguyên của x.

Số lượng ký hiệu phải chèn thêm là: 90 - phần dư . Hình 6.2 sẽ minh hoạ

quá trình này:

Sau khi thực hiện tương thích giữa tốc độ dữ liệu đầu vào và số sóng mang sử dụng truyền dữ liệu, cần tiến hành quá trình tương thích tiếp theo giữa kích thước FFT và số sóng mang.

Quá trình tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang con

Một ký hiệu FFT được tạo nên từ biến đổi IFFT các mẫu tần số. Mẫu tần số là mẫu thu được do quá trình lấy mẫu các tần số sóng mang con. Do đó trong khoảng thời gian biến đổi IFFT sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con. Trong biến đổi Fourier do khoảng tần số lấy từ , nhưng đối với phương pháp FFT thì khoảng tần số bị giới hạn do vậy, sau biến đổi FFT sẽ chịu hiệu ứng biên, hiệu ứng biên làm sai lệch các giá trị tín hiệu ứng với các tần số ngoài rìa. Vì thế để giảm hiệu ứng biên ta phải tăng kích thước FFT so với số sóng mang, muốn vậy:


Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang

77


Kích thước FFT/2 > số sóng mang con

Nhưng cũng vì thế mà số lượng các mẫu tần số tại đầu vào FFT bị thiếu, lượng thiếu = Kích thước FFT/2 - số sóng mang con. cho nên ta phải tiến hành chèn thêm các tần số ‘0’ trước khi biến đổi IFFT.

Theo bảng tham số dùng mô phỏng ta có: Kích thước FFT/2 = 128, mà số sóng mang = 90. Do đó cần chèn thêm 128-90 = 38 sóng mang ‘0’. Cho nên số lượng sóng mang thực tế phải dùng cho mỗi ký hiệu OFDM sẽ là 90 + 38 = 128, tuy nhiên 38 sóng mang chèn thêm sẽ không mang dữ liệu người dùng và chúng được đặt là ‘0’. Hình 6.3 sẽ minh hoạ quá trình này:

Do đó số lượng ký hiệu ‘0’ phải chèn thêm là: ký hiệu. Ta thấy nếu chọn kích thước FFT quá lớn so với 2 lần số sóng mang thì sẽ phải chèn rất nhiều ký hiệu không mang thông tin. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả truyền dẫn.

Để tạo dạng phổ thực cho tín hiệu OFDM, thì phần còn lại của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 là phần có các mẫu tần số có giá trị cao hơn), sẽ được lấp đầy bằng cách lấy liên hợp phức phần đầu của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 gồm các mẫu tần số có giá trị thấp). Quá trình này được mô tả bằng hình 6.4 dưới đây:

Sau khi sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM, sẽ thực hiện biến đổi IFFT lên ký hiệu OFDM trong miền tần số. Quá trình này sẽ chuyển tín hiệu OFDM từ miền tần số sang miền thời gian.



Bước tiếp theo trong công đoạn mô phỏng tín hiệu OFDM là chèn khoảng bảo vệ, quá trình này được thực hiện cho từng ký hiệu OFDM (xem lại phần 3.5). Cuối cùng ta sẽ được một tín hiệu OFDM có dạng:

Thiết lập các thông số khởi tạo cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Trước tiên để hiểu nguyên lý hoạt động của chương trình mô phỏng ta hãy xét các tham số vào ra của hệ thống.

Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng

Tham số Giá trị

Tốc độ dữ liệu: Rb 2 Mbps

Mức điều chế sóng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64

Tần số lấy mẫu: fs fs

Số lượng sóng mang: Nsub 52 - 1024

Kích thước FFT: NFFT NFFT

Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 µs

Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×T

Khoảng thời gian bảo vệ: TG TG

Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG

Thời gian mô phỏng: Tsim Tsim = 0,064 s

Cửa sổ Kaiser, β = 10

Mô hình kênh Pha đinh Rayleigh

Khoảng thời gian bảo vệ: , n = 1/2, 1/4, 1/8, 1/64 ....,


Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian,[sim_ofdm_signal.m]

79


Tần số lấy mẫu: , trong đó Tsym = TFFT + TG,

M là số trạng thái điều chế QAM (M = 2 ứng với BPSK), vì các thông số có sự liên quan đến nhau do đó chỉ cần khai báo các thông số: Rb, M, Nsubcarr, NFFT, TG. Từ kích thước file ảnh hoặc file text ta xác định thời gian mô phỏng:Tsim = số lượng bit truyền/ Rb.

Trong chương trình mô phỏng, các tham số khởi tạo hệ thống được tập trung vào trong một bảng, giá trị của các tham số được thiết lập khi khởi tạo và có thể thay đổi trong quá trình thực hiện chương trình mô phỏng nếu chọn chức năng điều chế thích ứng. Tất nhiên các tham số sẽ giữ nguyên giá trị như khi khởi tạo nếu không chọn chức năng điều chế thích ứng. Giao diện tham số khởi tạo hệ thống được mở ra có cấu trúc như sau.

Để hiểu hoạt động của chương trình mô phỏng AOFDM trước tiên cần phải hiểu rõ các tham số khởi tạo hệ thống và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của hệ thống.

Kích thước FFT: Biểu thị bằng nhãn ‘Kích thước FFT’, tham số này chính là số điểm FFT dùng trong một ký hiệu OFDM hay chính là độ dài ký hiệu OFDM. Để đảm bảo phổ OFDM là thực thì kích thước FFT > 2 lần số lượng sóng mang (trong mục 3.3.2.4). Kích thước FFT nếu chọn quá lớn sẽ lãng phí băng tần nhưng bù lại sẽ phân năng lượng tín hiệu đều trên các sóng mang, điều này có tác dụng phân tán lỗi. Tuy nhiên nếu kích thước FFT chọn quá nhỏ thì mật độ năng lượng trên mỗi sóng mang con sẽ lớn và nếu bị lỗi thì sẽ gây lỗi cụm. Vì vậy nên chọn giá trị tham số:

2:1< kích thước FFT: số sóng mang 5:1 (6.1)



Cụ thể đồ án thiết lập là 256.

Số lượng sóng mang: hiển thị bằng nhãn ‘Số sóng mang’, là số lượng sóng mang dùng để truyền dữ liệu. Cần phải phân biệt giữa dữ liệu và dữ liệu người dùng, dùng thuật ngữ ‘dữ liệu người dùng’ có nghĩa là dữ liệu đi đến bộ điều chế AOFDM, còn ‘dữ liệu’ là dữ liệu người dùng và phần độn thêm (để thích ứng với kênh truyền), thường phần độn thêm này là các ký hiệu ‘0’. Tất nhiên số lượng sóng mang cũng phải thoả mãn phương trình (6.1).Số lượng sóng mang càng lớn, thì trễ điều chế càng cao song được lợi về tính phân tập, do sự phân tán lỗi đều trên băng tần của kênh. Mặt khác vì cơ chế thích ứng mà đồ án sử dụng là chọn lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao (hay BER thấp) để truyền dữ liệu do đó số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số tương đối ổn định trên kênh. Tuy nhiên thường chọn số lượng sóng mang vì tính chất mô phỏng chạy trên phần mềm. Do đó tốc độ xử lý không cao như tốc độ xử lý phần cứng trong thực tế. Trong đồ án số lượng sóng mang sử dụng là 100.

Khoảng thời gian bảo vệ: Hãy tưởng tượng mỗi ký hiệu đều có một khoảng bảo vệ được gắn trước mỗi ký hiệu và khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ cực đại của kênh, thì khi đó các ký hiệu thu trước và sau sẽ không bị chồng lấn lên nhau mà chỉ chồng lấn lên các khoảng bảo vệ. Do đó năng lượng mỗi ký hiệu sẽ không bị phân tán trên các ký hiệu khác, tức là không có hiện tượng ISI. Vì vậy khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nó giúp tăng chiều dài ký hiệu, chống pha đinh lựa chọn tần số (xem chương 3), đặc biệt chống lại hiện tượng ISI gây thu sai tín hiệu. Theo chuẩn DAB thì khoảng bảo vệ được chọn = 1/4 kích thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phía trước ký hiệu. Tuy nhiên khoảng bảo vệ cũng được chọn lựa theo bất kỳ tỷ lệ nào như: 1, 1/2, 1/4, 1/8, …. Tuỳ theo kích thước FFT là lớn hay nhỏ và giá trị trải trễ cực đại của kênh. Đồ án chọn giá trị khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT, trên giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ được hiển thị bằng nhãn 'Khoảng bảo vệ' (4 có nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT).

Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giá trị dùng để thiết lập xem sóng mang nào sẽ được dùng truyền dữ liệu người dùng và sóng mang nào sẽ không sử dụng tức là phải tiến hành chèn ‘0’. Hàm thực hiện chức năng kiểm tra lỗi cho từng sóng mang con là hàm ‘dem_loi’. Hàm này sẽ tính ra giá trị BER của từng sóng mang con và kiểm tra xem nếu sóng mang nào có giá trị BER > BER ngưỡng thì sẽ gán cho phần tử của mảng QĐ tương ứng với vị trí sóng mang này giá trị là ‘1’, tức là không dùng sóng mang này. Sau đó hàm ‘chen_song_mang’ sẽ căn cứ vào giá trị của mảng QĐ mà sẽ quyết định dùng và không dùng sóng mang nào. Nếu ngưỡng BER được thiết lập quá lớn thì sẽ không có tác dụng chọn lọc sóng mang vì các giá trị BER hiện thời trên mỗi sóng mang có thể đều nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng. Tuy nhiên nếu thiết lập giá trị BER ngưỡng quá nhỏ thì số sóng mang đảm bảo giá trị BER nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng sẽ rất ít do đó tốc độ truyền dẫn sẽ rất chậm do chỉ tiến hành truyền dữ liệu trên một số ít sóng mang. Trong đồ án giá trị BER ngưỡng được thiết lập là 10-3.

Tần số Doppler: Do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây ra hiệu ứng Doppler. Doppler gây hiệu ứng điều tần ngẫu nhiên đối với các thành phần sóng mang do đó làm sai lệch giá trị tần số của các sóng mang con. Điều này dẫn đến phổ tần của các sóng mang con chồng lần quá mức lên nhau làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Khi không còn giữ tính trực giao thì năng lượng tín hiệu trên các sóng mang



sẽ chồng lấn lên nhau điều này sẽ dẫn tới không còn phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu trên các sóng mang con do đó gây lỗi tại bộ quyết định. Tất nhiên tần số Doppler trong đồ án chỉ là giá trị có ý nghĩa mô phỏng để đảm bảo tính thực tế của mô hình kênh, thông thường tần số Doppler < 100 Hz. Đồ án thiết lập giá trị tần số Doppler là 50 Hz.

Đáp ứng xung kim kênh: Đáp ứng xung kim của kênh chính là số lượng xung kim và giá trị biên độ suy giảm của các xung kim đó cùng với thời gian trễ.

Hình 6.6 Cho thấy hình dạng đáp ứng của kênh xung kim, với 3 đường trễ. Tương ứng các giá trị biên độ trên hình vẽ là các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ của kênh. Và thời gian trễ của từng nhánh là thời gian trễ của các xung kim của kênh. Trên bảng khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống AOFDM thì:

Thời gian trễ của xung thứ nhất sẽ là 5 tương ứng với nhãn ‘nhánh 1’ trên bảng. Thời gian trễ của xung thứ hai là 5+3 = 8 tương ứng với nhãn 'nhánh 2' trên bảng. Thời gian trễ của nhánh thứ ba là 5+3+9 = 17 tương ứng với nhãn ‘nhánh 3’ trên bảng. Các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ sẽ tương ứng với các nhánh là các nhãn ‘suy giảm 1’, ‘suy giảm 2’, ’suy giảm 3’ với các giá trị lần lượt là 0.32, 0.28, 0.13. Tương ứng với các giá trị này thì hình dạng hàm truyền đạt của kênh sẽ có dạng:

Tần số lấy mẫu ký hiệu phát: Mỗi ký hiệu sau khi điều chế ký hiệu OFDM đều được lấy mẫu với tần số lấy mẫu fs. Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phát thì tần số lấy mẫu cần thoả mãn định lý Nyquist: tức là tần số lấy mẫu tối thiểu phải gấp hai lần tần số ký hiệu. Trên bảng nhập các giá trị khởi đầu tần số lấy mẫu được thể hiện bằng giá trị dưới nhãn ‘Tần số lấy mẫu’, trên bảng giá trị này là 3 tức là đối với mỗi ký hiệu OFDM sau điều chế chúng ta sẽ lấy mẫu tại 3 vị trí của ký hiệu. Tất nhiên ký hiệu


Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh

82


sau khi thu sẽ là giá trị trung bình của các mẫu của cùng tín hiệu phát, do đó khi tần số lấy mẫu lớn thì giá trị ký hiệu thu sẽ gần như giá trị ký hiệu phát vì thế BER sẽ giảm. Tuy nhiên nếu tần số lẫy mẫu quá lớn sẽ dẫn đến giảm tốc độ bit thực truyền dẫn do phát lặp lại cùng một ký hiệu nhiều lần. Trong đồ án giá trị tần số lấy mẫu = 3 lần giá trị tần số ký hiệu OFDM.

Số trạng thái điều chế: Trong đồ án dùng phương pháp điều chế chủ yếu là M-QAM, với số trạng thái điều chế thay đổi với các giá trị M = 2, 4, 16, 64. Số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là giá trị nằm dưới nhãn 'Mức điều chế QAM' trong bảng khởi tạo. Tất nhiên khi chọn nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoặc không chọn cơ chế thích ứng nào thì số trạng thái điều chế được giữ nguyên trong quá trình mô phỏng, nếu chọn cơ chế thích ứng mức điều chế thì số trạng thái điều chế sẽ được thay đổi tuỳ theo tình trạng kênh hiện thời hay giá trị BER tổng cộng sau mỗi lần phát ký hiệu OFDM. Trong đồ án giá trị số trạng thái điều chế ban đầu được thiết lập là 2.

Định dạng file truyền: Để linh hoạt trong việc tạo ra dữ liệu người dùng dùng trong mô phỏng, đồ án đã xây dựng hàm có thể đọc các loại file văn bản (text.txt) hoặc file hình ảnh (*.JPG, *.BMP,…). Tất nhiên mỗi loại file có một định dạng khác nhau và dung lượng hoàn toàn khác nhau, do đó sẽ cần có một hàm đọc file khác nhau. Trên bảng khởi tạo định dạng file được mô tả thông qua nhãn ‘Loại file’. Nếu

Loại file = 1 tức là sẽ truyền file văn bản có tên ‘Design.txt’, kết quả mô phỏng sau khi truyền qua môi trường kênh sẽ được lưu trong file ‘Result.txt’.

Loại file = 2 tức là sẽ truyền file đồ hoạ có tên ‘Fish.bmp’, kết quả mô phỏng sau khi truyền qua môi trường kênh sẽ được lưu trong file ‘anh_dep.jpg’. Tất nhiên kết quả sẽ được hiển thi thông qua giao diện ‘xem_anh’. Nếu dùng file đồ hoạ để mô phỏng thì thời gian đọc file và chuyển dữ liệu sang dạng nhị phân, sau đó tiến hành điều chế chuyển mức rồi điều chế tín hiệu OFDM sẽ rất lâu. Để ta có thể quan sát được quá trình điều chế dữ liệu và thu phát qua kênh vô tuyến thì đồ án đã thiết lập giao diện mô phỏng ‘OFDM_S’. Trước tiên dữ liệu đọc từ file có dạng các mảng thập phân sẽ được cắt nhỏ thành từng khối (thông thường mỗi khối gồm 200 phần tử). Sau đó sẽ tiến hành chuyển từng khối sang dạng nhị phân rồi tiến hành điều chế OFDM dữ liệu nhị phân trong khối này, tín hiệu sau điều chế OFDM sẽ được phát qua mô hình kênh và thu tại bộ thu OFDM. Dữ liệu thu sẽ được chuyển lại thành các khối thập phân và được lưu vào một mảng, sau khi kết thúc mô phỏng dữ liệu thu dưới dạng các khối thập phân sẽ được ghép lại với nhau theo định dạng file ban đầu rồi tiến hành ghi ra file ảnh. Tiếp tục chương trình sẽ hiển thị kết quả ảnh thu được để so sánh chất lượng.

6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng

6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng

Chương trình mô phỏng được thiết kế bằng ngôn ngữ Matlab 6.5, và được tổ chức thành từng module.

Tính module cho phép, cải tiến, phát triển và nâng cấp sau này.

Do có tính module nên thuận lợi cho việc kiểm tra, đánh giá, khảo sát mô hình ở dạng rời rạc và liên kết.



Để chạy chương trình mô phỏng AOFDM, từ cửa sổ lệnh của MatLab ta gõ lệnh “AOFDM”. Dưới đây là phần giao diện bắt đầu của chương trình.

Phần giao diện chính của chương trình sẽ được mở khi nhấn chuột vào nút tiếp tục. Trước khi đến với giao diện chính, giao diện minh hoạ hình ảnh dùng để truyền sẽ được mở ra. Hình bên trái với tiêu đề :’ Ảnh dùng để phát’ sẽ là hình ảnh phục vụ cho suốt quá trình mô phỏng. Trục toạ độ còn lại bên phải sẽ hiện ảnh sau khi truyền qua AOFDM. Sau khi hoàn thiện mô phỏng hệ thống AOFDM thì ảnh này sẽ được mở ra để so sánh giữa chất lượng ảnh gốc và ảnh sau khi truyền qua AOFDM. Tất nhiên vì lý do thời gian truyền quá lâu khi dùng ảnh mầu 32 bit (do xử lý số bằng phần mềm có tốc độ rất chậm, trong các hệ thống thực tế tốc độ tính toán cao do các thao tác xử lý số được thực hiện phần lớn bằng phần cứng ). Cho nên để nhanh chóng đồ án chỉ mô phỏng kết quả với ảnh trắng đen.



Khi kích hoạt vào nút “tiếp tục” ở giao diện đầu tiên thì chương trình sẽ gọi một giao diện để mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng, giao diện có tên hàm là 'OFDM_S'. Dưới đây sẽ là phần giao diện thực hiện ý tưởng của đồ án, giao diện được cấu trúc theo từng module, mỗi module sẽ thực hiện một nhiệm vụ và minh họa một phần kết quả trong hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM.



Phần khung công cụ thực hiện bao gồm các nút công cụ:

‘Execute’: sẽ thực hiện kích hoạt hệ thống AOFDM hoạt động.

‘Input Data’: sẽ mở ra một giao diện để nhập các thông số khởi tạo hệ thống.

‘Close’: sẽ đóng giao diện mô phỏng.

‘Back’: sẽ quay trở lại giao diện đầu tiên ‘AOFDM’.

Phần khung công cụ thích ứng bao gồm các nút công cụ:

‘Chọn lọc SM’: là biểu tượng khi tích vào hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang.

‘Mức điều chế’: khi tích vào biểu tượng này hệ thống sẽ kích hoạt chế độ thích ứng theo mức điều chế (AQAM). Tất nhiên ta có thể kích hoạt đồng thời hai cơ chế thích ứng bằng cách tích vào cả hai biểu tượng trên.

‘Kênh động’: là công cụ mà khi kích hoạt nó sẽ tạo ra một kênh vô tuyến có hàm truyền đạt thay đổi theo thời gian. Nếu không kích hoạt công cụ này thì kênh mô phỏng sẽ là kênh tĩnh, các tham số kênh sẽ giữ nguyên trong quá trình mô phỏng.

Phần hiển thị tín hiệu M-QAM: sẽ hiển thị chòm sao M-QAM tại bộ thu sau khi tín hiệu được giải điều chế OFDM. Khi số trạng thái điều chế là M thì phần giao diện này sẽ hiện thị chòm sao M-QAM, trên phần giao diện là chòm sao 16-QAM.

Phần hiển thị tín hiệu OFDM: sẽ hiển thị dạng sóng trong miền thời gian của tín hiệu OFDM phát và thu đồng thời cũng hiển thị hàm truyền đạt của kênh và phổ của tín hiệu OFDM thu. Mục đích đồ án xây dựng giao diện hiển thị phổ của tín hiệu OFDM thu và hàm truyền đạt của kênh để dễ dàng quan sát cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Ứng với những vị trí mà hàm truyền đạt của kênh nhận các giá trị khác ‘1’ rất nhiều thì các sóng mang con có giá trị tần số nằm gần khoảng đó sẽ không được sử dụng, trên giao diện ta thấy ứng với các giá trị này thì đáp ứng tần số của tín hiệu thu sẽ xấp xỉ ‘0’. Cơ chế chọn lọc sóng mang được coi là hoạt động tốt khi lựa chọn được những khoảng mà đáp ứng của kênh là xấp xỉ ‘1’.

Phần hiển thị kết quả: sẽ cung cấp các giá trị BER hiện thời của từng sóng mang con và giá trị BER tổng hợp của toàn bộ hệ thống. Giá trị BER hiện thời của các sóng mang con được hiện thị dưới nhãn ‘Giá trị BER của các sóng mang con’. Giá trị BER của hệ thống được hiển thị dưới nhãn ‘BER’. Ngoài ra để tiện theo dõi số lượng công việc đã hoàn thành được bao nhiêu phần trăm, giao diện cũng đưa ra một bảng hiển thị thời gian thực hiện và số phần trăm công việc đã thực hiện.

Một bảng hiển thị rất quan trọng để theo dõi cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang là hiển thị số lượng sóng mang được dùng để truyền dữ liệu người dùng, đó là nhãn ‘Số sm truyền’. Trên phần giao diện ta thấy số sóng mang thiết lập ban đầu là 100 (ta thấy chiều dài của trục hoành của nhãn ‘Giá trị BER của các sóng mang con là 100’), trong khi đó số sóng mang truyền dữ liệu người dùng chỉ có 24. Tất nhiên việc dùng số lượng ít sóng mang truyền dẫn sẽ làm chậm tốc độ hệ thống nhưng với điều kiện kênh quá tồi thì nếu truyền dữ liệu trên các sóng mang còn lại thì sẽ chịu một tỷ lệ lỗi quá lớn vượt quá giá trị BER yêu cầu cho mỗi dịch vụ và khi đó sẽ không đảm bảo được QoS.



6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Đồ án sẽ nghiên cứu hoạt động của hệ thống truyền dẫn OFDM khi chỉ dùng một cơ chế thích ứng, khi dùng đồng thời các cơ chế thích ứng và khi không dùng thích ứng. Đồng thời cũng nghiên cứu hiệu năng của các phương pháp thích ứng trong các điều kiện kênh khác nhau: kênh tĩnh, kênh động và các tham số kênh khởi tạo khác nhau.

6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng

Trước tiên để dễ so sánh giữa các phương pháp thích ứng và so sánh hiệu năng của cơ chế thích ứng với khi không thích ứng, ta hãy xem kết quả truyền dữ liệu người dùng là file ảnh với phương pháp điều chế 4-QAM qua hệ thống OFDM mà không dùng bất kỳ cơ chế thích ứng nào cả.

Tham số ban đầu được thiết lập như giao diện khởi tạo phía trên. Giao diện mô phỏng sẽ như sau:



Ta thấy rằng ở những vị trí đáp ứng kênh có giá trị khác ‘1’ rất nhiều thì giá trị BER của các sóng mang con tại đó sẽ rất lớn. Trên giao diện mô phỏng thứ nhất giá trị BER của các sóng mang con ta thấy có ba vùng mà BER rất lớn so với các vùng khác. Nhìn lên phần giao diện đặc tuyến tần số của tín hiệu OFDM thu, ta thấy tương ứng với ba vùng BER cao này là ba vùng mà đáp ứng kênh bị lõm nghiêm trọng. Do đó các sóng mang con tại đây biên độ bị suy giảm nhanh chóng gây lỗi lớn sau bộ quyết định. Kết quả trên giao diện mô phỏng thứ hai cũng tương tự, chỉ có điều chỉ có hai vùng BER cao.

Kết quả file ảnh truyền qua môi trường kênh mà không sử dụng cơ chế thích ứng nào sẽ như sau.



Ta thấy trên ảnh thu được hình thành những đường lỗi cụm do các sóng mang tại những vị trí kênh biến động lớn sẽ bị lỗi cụm. Ở cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang sẽ giải quyết triệt để vấn đề này.

6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế

Giá trị BER thiết lập trong đồ án cho các mức chuyển được cho trong bảng 6.2.

Cơ chế chuyển mức cũng phải tuân theo quy tắc sau: Nếu đang ở mức BPSK không thể trực tiếp chuyển lên mức 16-QAM, 64-QAM được mà phải qua bước trung gian là 4-QAM, và đang ở mức 4-QAM cũng vậy không thể chuyển trực tiếp lên 64-QAM. Nhưng đang ở mức 16-QAM, 64-QAM nếu BER tổng quá cao có thể chuyển trực tiếp xuống BPSK. Vì có cơ chế này mà hệ thống làm việc rất hiệu quả, nguyên nhân là khi đang ở các mức BPSK, 4-QAM nếu kèm theo cơ chế chọn lọc sóng mang thì thường BER tổng = 0, nhưng không phải ở mức 16-QAM, 64-QAM thì BER tổng cũng nhỏ như vậy mà thường BER tổng sẽ không đảm bảo mức ngưỡng do đó để đảm bảo QoS thì cần phải chuyển qua mức trung gian.

Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế

Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chế

BER> 0.2 Không thiết lập Không phát

BER ≥ 0,1 10-2 BPSK

0.1>BER ≥ 0,01 10-3 4-QAM4E1BER01.0 10-4 16-QAM

BER4E1 10-5 64-QAM



Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích ứng mức điều chế, mức điều chế được thiết lập ban đầu là 4-QAM. các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích ứng.



Ta thấy chất lượng ảnh thu được sau mô phỏng tốt hơn so với trường hợp không dùng cơ chế thích ứng một chút, các đường xước nhỏ hơn. Tuy nhiên sự cải thiện QoS này không đáng kể, vẫn xảy ra lỗi cụm. Theo quan sát giá trị BER tổng luôn luôn > 0.01 do



đó nếu theo cơ chế thích ứng chọn mức điều chế thì sẽ luôn luôn không đạt mức phát 16-QAM.

6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang

Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang, phương pháp điều chế sóng mang con là 4-QAM, các tham số khởi tạo được cho trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích ứng.



Ta thấy rằng những vị trí sóng mang con có BER lớn sẽ không được dùng để truyền dữ liệu. Trên giao diện mô phỏng thứ nhất có bốn vị trí như vậy và trên vùng hiển thị giá trị BER của từng sóng mang ta thấy có năm vị trí cho BER thấp nhất và tất nhiên theo cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang thì hệ thống đã chọn năm vị trí đó để truyền dữ liệu. Nhìn vào vùng hiển thị số lượng sóng mang truyền dữ liệu người dùng ta thấy chỉ có 36 sóng mang con được sử dụng trên tổng số 100 sóng mang con dùng truyền dữ liệu. Trên giao diện thứ hai kết quả cũng tương tự, chỉ có điều là số lượng các vùng đáp ứng kênh có BER thấp nhiều hơn, khi này số lượng sóng mang có mức BER thoả mãn ngưỡng sẽ nhiều lên, có 42/ 100 sóng mang con dùng truyền dữ liệu người dùng.

Dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang kết quả là BER tổng luôn xấp xỉ ‘0’ đối với 4-QAM, giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không dùng cơ chế thích ứng.



Kết quả ảnh thu được sau khi truyền qua hệ thống AOFDM có chất lượng cao hơn rất nhiều so với hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích ứng. Trên giao diện hiển thị kết quả ảnh thu ta thấy phần đầu của ảnh có vài vết xước, do ta thiết lập mảng QĐ với các phần tử toàn giá trị ‘0’, tức là lần đầu phát ta sử dụng 100 % số sóng mang hiện có, vì vậy trong lần đầu tiên BER khá cao. Tuy nhiên sau lần đầu tiên cơ chế thích ứng làm việc rất hiệu quả đã chọn lọc ra các sóng mang có BER thấp để truyền dữ liệu do đó phần ảnh thu còn lại có chất lượng rất cao hoàn toàn giống như ảnh phát. Mặc dù mức điều chế luôn không đổi 4-QAM, trong khi đó cơ chế chuyển mức điều chế ở trên thường xuyên phát BPSK (do BER tổng cao) tức là thông lượng của cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang cao hơn mức điều chế trong trường hợp này.

Đến đây ta mới thấy phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang làm việc thật hiệu quả trong trường hợp kênh tồi. Tuy nhiên khi điều kiện kênh tốt hơn thì nếu sử dụng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ không hiệu quả đối với các mức điều chế cao như 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM… Vì khi đó có trường hợp kênh đột ngột trở nên rất xấu mà ta cứ giữ nguyên mức điều chế hiện thời sẽ không ổn vì khi đó tốc độ truyền dữ liệu sẽ rất thấp. Có trường hợp khi mức điều chế là 64-QAM nếu cứ giữ nguyên mức điều chế này thì chỉ còn dưới 10 sóng mang đảm bảo được giá trị BER ngưỡng trên tổng số 100 sóng mang mô phỏng. Do đó tốc độ truyền dẫn sẽ cực thấp và không đảm bảo QoS đối với các dịch vụ yêu cầu tính thời gian thực. Cho nên để hiệu quả thì phương pháp thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang phải đi kèm theo cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế.

6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang

Dưới đây là trường hợp khi kết hợp hai phương pháp thích ứng trên với cùng điều kiện kênh như giao diện khởi tạo phía trên:



Ta thấy với điều kiện kênh tồi như vậy mà khi kết hợp hai phương pháp thích ứng trên thì vẫn cho phép mức điều chế lên đến 16-QAM, tất nhiên tần suất xuất hiện của

16-QAM sẽ ít hơn 4-QAM. Tuy nhiên nêu để ý thì ở mức 16-QAM, số sóng mang dùng để truyền dữ liệu sẽ rất ít thường < 50 sóng mang trên tổng số 100 sóng mang, giá trị trên giao diện mô phỏng là 46, 58 và 24 sóng mang, những vẫn đảm bảo được tốc độ truyền dữ liệu người dùng và BER yêu cầu do mức điều chế cao và dùng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Điều đặc biệt là không có lần nào hệ thống phải chuyển mức phát BPSK. Vì điều này mà thông lượng của cơ chế thích ứng kết hợp giữa hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và thích ứng mức điều chế lớn hơn hẳn các cơ chế thích ứng độc lập.



Tất nhiên ảnh sẽ không thể đẹp như trong trường hợp truyền 4-QAM dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Nhưng so sánh với trường hợp truyền 4-QAM mà không dùng một cơ chế thích ứng nào hay 4-QAM dùng nguyên cơ chế thích ứng mức điều chế thì chất lượng vẫn tốt hơn nhiều.

Qua đây ta có thể kết luận rằng một mình cơ chế chọn lọc sóng mang chỉ hoạt động tốt trong điều kiện kênh tồi. Hệ thống sẽ hoạt động tốt nhất khi kết hợp giữa hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và chuyển mức điều chế.

6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng

Để quan sát hiệu năng của mỗi lần thực hiện mô phỏng (có thể dùng hoặc không dùng cơ chế thích ứng), đồ án đã thiết kế giao diện hiển thị:

Hiệu năng BER của hệ thống thông qua kết quả BER trong mỗi lần phát ký hiệu (giá trị hiển thị trên nhãn 'BER' trong phần hiển thị kết quả trên giao diện mô phỏng 'OFDM_S')

Hiệu năng thông lượng của hệ thống, được đo bằng số bit/ký hiệu điều chế sóng mang con (ví dụ, 4-QAM sẽ có thông lượng là 2 bit/ký hiệu). Thông lượng chính là tốc độ bit truyền dữ liệu.

Giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng hệ thống sẽ được mở ra ngay khi kết thúc mô phỏng quá trình truyền dữ liệu, để hiển thị kết quả mô phỏng cho trường hợp mới nhất.

Dưới đây là giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng cho trường hợp mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM kết hợp cả hai cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Để xem hiệu năng thông lượng của hệ thống, phải kích chuột vào nút thông lượng trên phần hiển thị kết quả mô phỏng.



Để dễ dàng so sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích ứng khác nhau, cũng như giữa thích ứng và không thích ứng, đồ án đã tổng kết các lần chạy chương trình mô phỏng khác nhau và đưa ra kết quả tổng hợp thông qua giao diện so sánh.

Kết quả hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của hệ thống truyền dẫn OFDM thông qua mô phỏng.

Giao diện so sánh hiệu năng và thông lượng sẽ được mở ra khi kích chuột vào nút 'So sánh' trên giao diện đánh giá hiệu năng.

Chỉ tiêu so sánh: Gồm hai chỉ tiêu là hiệu năng (BER) và thông lượng (BPS).

Đối tượng so sánh: Giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích ứng, và giữa hệ thống dùng cơ chế thích ứng và hệ thống không dùng thích ứng.

Phương pháp so sánh: So sánh hiệu năng BER (QoS) và hiệu năng thông lượng (BPS) của các hệ thống trên, khi số trạng thái điều chế sóng mang con bắt đầu mô phỏng: 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM.

Trường hợp 1: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là BPSK, đặc biệt để so sánh một cách triệt để hiệu năng và thông lượng giữa các cơ chế thích ứng, ta sẽ chọn điều kiện kênh thiết lập ban đầu sao cho hệ thống thích ứng theo mức điều chế luôn không đạt ngưỡng phát 16-QAM, với điều kiện này ta có kết quả:



Phân tích kết quả:

Hiệu năng BER:

Khi điều kiện kênh truyền tồi SNR < 17 dB hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng mức điều chế và hệ thống OFDM không thích ứng có hiệu năng như nhau do chỉ đảm bảo SNR phát BPSK. Cũng với điều kiên kênh như vậy, hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và hệ thống OFDM dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế lại có hiệu năng cao hơn, do hai hệ thống này



chỉ truyền dữ liệu trên các vùng đáp ứng kênh tốt. Tuy nhiên hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp sẽ cho hiệu năng thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang. Vì, hệ thống dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang giữ nguyên mức điều chế BPSK, nhưng hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã đảm bảo BER phát 4 -QAM, mặt khác ở mức 4-QAM hiệu năng sẽ thấp hơn 4-QAM.

Khi điều kiện kênh truyền tốt hơn, SNR > 17 dB, ta thấy giữa các hệ thống đã có sự khác biệt rõ ràng. Hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lóc sóng mang có hiệu năng cao nhất, do giữ nguyên mức điều chế BPSK và truyền dữ liệu trên vùng đáp ứng kênh tốt. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng mức điều chế do đảm bảo BER phát 4-QAM, ở mức này sẽ cho hiệu năng thấp hơn hiệu năng của hệ thống không dùng thích ứng. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp do đảm bảo BER phát 16-QAM, ở mức này dù có cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang song hiệu năng vẫn thấp hơn hệ thống không dùng thích ứng luôn giữ nguyên mức điều chế BPSK. Nếu chú ý ta sẽ thấy đường thể hiện BER của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng mức điều chế có sự nhẩy bậc. Điều này xảy ra do sự chuyển mức điều chế, ở mức điều chế cao BER bao giờ cũng cao hơn ở mức điều chế thấp.

Hiệu năng thông lượng

Đối với hệ thống không dùng một cơ chế thích ứng nào hoặc thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ có thông lượng không đổi, kết quả so sánh chỉ có ý nghĩa đối với hai cơ chế thích ứng là chuyển mức điều chế (AQAM) và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế.

Khi điều kênh kênh tồi (SNR < 8 dB), hệ thống không thích ứng và hệ thống thích ứng theo mức điều chế có thông lượng như nhau 1 bit/ký hiệu (các hệ thống đều phát BPSK). Song cũng với điều kiện kênh như vậy, hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã có thể phát 4-QAM. Đến khi hệ thống thích ứng theo mức điều chế có thể phát ổn định 4-QAM, thì hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã có thể phát 16-QAM. Tuy số lần phát 4-QAM và 16-QAM tương đương nhau, nhưng như thế thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống khác. Để thấy rõ ưu điểm của các cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế ta hãy xét điều kiện kênh truyền tốt hơn, và mức điều chế cao hơn.

Trường hợp 2: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 4-QAM. Kênh truyền được thiết lập sao cho cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế không đạt ngưỡng phát 64-QAM (vì nếu như vậy sẽ không so sánh chọn vẹn hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng giữa các cơ chế thích ứng cho từng mức ngưỡng phát khác nhau).




Hiệu năng BER:

Hiệu năng so sánh trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp đầu, hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang vẫn cho hiệu năng cao nhất. Khi SNR > 32 dB ta thấy hiệu năng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế thấp nhất, vì hệ thống phát 16-QAM sẽ có BER cao hơn mức phát 4-QAM cố định



của hệ thống không thích ứng. Hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đạt ngưỡng phát 16-QAM rất sớm (SNR > 22 dB), và hiệu năng cũng cao hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chuyển mức điều chế.


Thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp vẫn tỏ ra ưu thế hơn hệ thống dùng cơ chế chuyển mức điều chế thông thường, hệ thống này đạt ngưỡng phát 4-QAM và 16-QAM sớm hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế.

Hai trường hợp vừa khảo sát ta chưa thấy ưu điểm rõ rệt của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế, tuy nhiên với điều kiện kênh truyền tốt hơn và mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu cao hơn ta sẽ thấy ưu điểm của các hệ thống này.

Trường hợp 3: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 16-QAM.

Hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng trong trường hợp này được thể hiện trong giao diện dưới đây:




Hiệu năng BER

Trường hợp này hiệu năng so sánh giữa các hệ thống đã khác xa so với hai trường hợp vừa khảo sát. Các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế hơn hẳn. Nguyên nhân do có sự chuyển mức điều chế từ cao xuống thấp làm BER giảm mạnh, trong khi các hệ thống không dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế vẫn giữ nguyên mức điều chế cao (16-QAM). Hiệu năng của cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã cao hơn các hệ thống khác. Song khi SNR cao do hệ thống này đạt mức phát 64-QAM, do đó hiệu năng có phần thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang.


Trong trường hợp này vẫn có sự khác nhau về thông lượng giữa hai cơ chế thích ứng: chuyển mức điều chế đơn thuần và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế. Cơ chế thích ứng kết hợp vẫn tỏ ra hiệu quả hơn hẳn, cả khi SNR thấp và SNR cao hơn. Đặc biệt khi SNR > 35 hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp đã có thể phát 64-QAM, trong khi hệ thống dùng nguyên cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế chỉ đạt ngưỡng BER phát 16-QAM. Để thấy rõ ưu điểm vượt trội của hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế ta hãy xét trường hợp mức điều chế thiết lập ban đầu là 64-QAM.

Trường hợp 4: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 64-QAM.



Phân tích kết quả

Hiệu năng BER

Hiệu năng của các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế đã chiếm ưu thế tuyệt đối. Trong đó hệ thống dùng cơ chế thích ứng kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế cho hiệu năng cao nhất.




Trong trường hợp này các hệ thống không dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ cho thông lượng cao nhất do giữ nguyên mức điều chế 64-QAM. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, hiệu năng BER của các hệ thống này thấp hơn rất nhiều so với các hệ thống dùng cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế, do đó sẽ không đảm bảo QoS

6.5 Kết luận

Chương này đã giới thiệu tính năng của chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM. Phân tích phương pháp mô phỏng tín hiệu OFDM, phân tích các thông số hệ thống truyền dẫn OFDM. So sánh hiệu quả của các hệ thống OFDM sử dụng các cơ chế thích ứng và các hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích ứng, tiêu chí so sánh được thể hiện thông qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua các hệ thống OFDM. Một kết quả rất quan trọng là chương này đã đánh giá hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích ứng khác nhau thông qua mô phỏng, kết quả so sánh giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích ứng khác nhau và các hệ thống không dùng cơ chế thích ứng cho thấy sự kết hợp của hai cơ chế thích ứng là thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang đã đem lại hiệu năng BER cực đại đồng thời hiệu năng thông lượng cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống chỉ dùng một cơ chế thích ứng độc lập.


Kết luận Đồ án tốt nghiệp Đại học

Kết luận

Đồ án đã nghiên cứu về công nghệ OFDM, mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM, nghiên cứu về cách tạo và thu tín hiệu OFDM. Phân tích ảnh hưởng của ICI, ISI đến hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM, và hiệu quả của việc dùng bộ lọc băng thông trong việc tiết kiệm phổ tần. Một vấn đề rất quan trọng đối với hệ thống truyền dẫn vô tuyến là đặc điểm kênh truyền vô tuyến cũng được nghiên cứu, với các hiệu ứng: Trải trễ, dịch Doppler, đa đường..., nghiên cứu mô phỏng kênh pha đinh Rayleigh, Rice. Kết quả mô phỏng kênh này đã được dùng để mô phỏng hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM. Để giảm sai lỗi tại bộ quyết định đồ án đã nghiên cứu các phương pháp cân bằng và ước tính kênh, và trong kết quả mô phỏng dùng bộ cân bằng MMSE với công nghệ ước tính kênh là phương pháp FFT.

Phần cuối cùng và cũng là quan trọng nhất mà đồ án đã hoàn thành đó là xây dựng được chương trình mô phỏng một hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM. Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết thích ứng, và những tồn tại của các phương pháp thích ứng đã có như: thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế (AQAM). Đồ án đã đề xuất phương án thích ứng hoàn toàn mới đó là cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Nhận thấy những ưu điểm vượt trội của hai cơ chế thích ứng đó là cơ chế chọn lọc sóng mang và cơ chế thích ứng theo mức điều chế, đồ án đã mạnh dạn chọn hai cơ chế thích ứng này để mô phỏng. Hiệu năng của hai phương pháp thích ứng này được so sánh dựa trên kết quả mô phỏng và cuối cùng đồ án đã kết luận sự kết hợp của hai phương pháp thích ứng này sẽ đem lại hiệu năng vượt trội cho hệ thống hơn bất kỳ phương pháp thích ứng riêng rẽ nào khác.

Đồ án đã lựa chọn cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang và cơ chế thích ứng theo mức điều chế. Cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoạt động rất hiệu quả, nhưng phương pháp thích ứng theo mức điều chế cần được tối ưu hơn. Trong đồ án cơ chế thích ứng theo mức điều chế sẽ thay đổi mức điều chế trên toàn bộ các sóng mang con một cách đồng loạt và bình đẳng, do đó hiệu quả mang lại chưa cao, trong thời gian tới nếu xây dựng từng sơ đồ thích ứng mức điều chế độc lập cho mỗi sóng mang con thì hiệu quả mang lại sẽ cao hơn. Mặt khác nếu kết hợp được công nghệ OFDM với CDMA sẽ giải quyết triệt để được những điều kiện bất lợi của kênh truyền vô tuyến. Để những nghiên cứu có tính thực tế, đồ án rất mong muốn xây dựng được chương trình mô phỏng hệ thống OFDM trên cơ sở phần cứng và sự đầu tư về tài chính để tiến hành thí nghiệm trên mô hình kênh thực tế. Bằng những thí nghiệm thực tế các thông số hệ thống sẽ thiết thực hơn và sẽ giúp nghiên cứu ứng dụng và triển khai hệ thống 4G trong trong tương lai gần.


Tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp Đại học

Tài liệu tham khảo

[1]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ thứ 3”. Nhà xuất bản bưu

điện 2002.

[2]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và ứng dụng”. Nhà xuất bản

bưu điện 2001.

[3]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình cơ sở truyền dẫn viba số”. Nhà xuất

bản Bưu điện 4-2001.

[4]. Đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu điều chế thích ứng cho máy thu phát thông

minh trong thông tin di động“. Chủ trì đề tài TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng và các cộng

tác viên, Hà nội 2004.

[5]. “Spectrum Auctions”, Radiocommunications Agency of UK, Online:

http://www.spectrumauctions.gov.uk/auction/auction_index.htm.

[6]. “Third Generation Mobile Phone Licensing in Europe”, TIA on line, Online:

http://www.tiaonline.org/international/regional/nis/licensing.cfm.

[7]. “Third Generation Mobile Phone Licensing in Europe”, TIA on line, Online:

http://www.tiaonline.org/international/regional/nis/licensing.cfm.

[8]. "Adaptive techniques for multiuser OFDM", for the degree of Doctor of

Philosophy in Electrical and Computer Engineering, Eric Philip Lawrey, 12 -2001.


http://www.spectrumauctions.gov.uk/auction/auction_index.htm

Lời cảm ơn

Em xin trân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa viên thông I và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn vô tuyến. Em xin gửi đến thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm lời cảm ơn chân thành nhất, hai thầy đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án và cung cấp cũng như hướng dẫn lựa chọn những tài liệu thiết thực đối với lĩnh vực nghiên cứu của đồ án. Xin cảm ơn gia đình tôi, những người luôn bên tôi trong lúc khó khăn nhất, Cuối cùng xin cảm ơn bạn bè tôi những người bạn thật tốt, đã luôn cạnh tôi trong suốt thời gian qua.

do an

Documents