CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CƠ SỞ MIMO-OFDMA 1.Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 1.Tổng quan về hệ thống OFDM Tổng quan hệ thống OFDM được trình bày ở hình 1. Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số/ tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát.
Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng (additive white Gaussian noise – AWGN). Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Nguồn bit Điều chế ở Chèn mẫu tin Chèn chuỗi Biến đổi số/ băng tần cơ IFFT dẫn đường bảo vệ tương tự sở Kênh vô tuyến Nhiễu trắng + (AWGN) Giải điều chế Cân bằng Tách chuỗi Biến đổi ở băng tần cơ FFT kênh bảo vệ tương tự/số sở Tách mẫu tin dẫn đường Khôi phục kênh truyền Hnh 1.1 Tổng quan một hệ thống OFDM [5] HVTH: Lại Trường Xuân 9 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục.
Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được tại phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm 2 luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền.
Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu. Khái niệm trực giao Về mặt toán học xét tập các tín hiệu ψ với p là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập ψ trực giao đôi một với nhau là : a k , p = q (t ) (t )d (t ) = 0, p q * p q b (1. Khoảng thời gian từ a đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là một hằng số. Bộ điều chế OFDM Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau.
Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể. Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông , trong đó s = 2 f s = 2 1 là khoảng cách tần jpst qua phép nhân với hàm phức e Ts số giữa hai sóng mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau. Tính trực giao của hai sóng mang p và q được kiểm chứng như sau: HVTH: Lại Trường Xuân 10 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật (k +1)Ts (k +1)Ts e e jps t jqs t * j( p− q )s t (e ) dt = dt kTs kTs 1 t = ( k +1)Ts = e j ( p −q )st j ( p − q )s t = kTs (1.2) 0, p q = Ts , p = q Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt.
Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho ra kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc của phép giải điều chế OFDM. a i ,+ L d k ,+ L Xung cơ sở X Điều chế ở băng tần cơ sở (M-QAM,…) (Basic impulse) Bộ phân chia nối tiếp/song song e jLst Chèn chuỗi bảo vệ {a1} a i ,n d k ,n m '(t ) m(t ) Xung cơ sở (Basic impulse) X Σ ejnst a i ,− L d k ,− L Xung cơ sở (Basic impulse) X e− jLst Hnh 1.2 Bộ điều chế OFDM [5] Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành Nc kênh con, với chỉ số của các kênh con là n, n { − L, −L + 1,., L − 1, L} Do vậy: HVTH: Lại Trường Xuân 11 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật NFFT = 2L +1 Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {a1} được chia thành NFFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai, n} lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d k ,n} , với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.
Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK,… Các mẫu tín hiệu phát {d k ,n} lại được nhân với xung cơ sở (basic impulse) g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang. Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau : +L m (t ) = d k , n s' (t − kT )e jns t ' k n =− L (1.3) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k. Sự biểu diễn tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là : +L m ( t) = m (t) = ' ' k d s (t − kT) e k ,n ' jn s t k =− k =− n=− L (1.4) Ở đây tín hiệu m' (t ) là tín hiệu mk' ( t) với chỉ số k ( chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian ) chạy tới vô hạn.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễu xuyên tín hiệu ISI thông qua sự sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard interval). Do vậy tín hiệu OFDM trước khi truyền đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT: Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự : HVTH: Lại Trường Xuân 12 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật +L m (kTs + lt a ) = s0 d k , ne jn s (kTs +lt a ) ' k n =− L +L = s0 d k , ne jn skTs e jn slt a n =− L (1.5) Khi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu 1 1 T ta = = = s B NFFT fs NFFT (1.6) Trong đó B là toàn bộ bề rộng của băng tần hệ thống. Ở thời điểm lấy mẫu t = kT + lta , S '(t − kT ) = s0 , do vậy phương trình (1.6) được viết lại: +L m (kTs + lta ) = s0 dk ,ne jn s ( kTs +lt a ) ' k n=− L +L = s0 d k , ne jns kTs e jns lta n =− L (1.7) 1 jn s kTs Do s kTs = 2 fs k = 2k , kết quả là e =1.
Tương tự như vậy có thể khai fs 1 nl jn 2 fs j2 jnslt a f sN FFT NFFT triển e =e =e , Ta có thể được viết lại: +L nl j 2 m (kTs + lt a ) = s0 d k, ne ' k N FFT n=− L (1.8) HVTH: Lại Trường Xuân 13 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật a i ,+ L d k ,+ L Biến đổi số tương tự Chèn khoảng bảo vệ Song song/nối tiếp Nối tiếp/song song Mã hóa {a1} a i ,n d k ,n m '(lt a ) m (lt a ) m(t ) IFFT a i ,− L d k ,− L Hnh 1.3 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT [5] Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở p/t (1.8) trùng hợp với phép biến đổi IDFT. Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Trong trường hợp N FFT là bội số của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Hnh 1.4 Khoảng bảo vệ trong OFDM Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts như hình.
Chuỗi bảo vệ là một chuỗi tín hiệu có độ dài là TG ở phía sau sao chép lên phần phía trước của mẫu HVTH: Lại Trường Xuân 14 Lớp:10BĐTVT2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật tín hiệu này. Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau: Giả thiết máy phát phát đi một tín hiệu hình sin có chiều dài Ts. Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T = Ts + TG.
Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ khác nhau. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn thường gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này.
Giả thiết khoảng trễ truyền dẫn lớn nhất là max , nếu TG max thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích Ts không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là : TG max (1.