I. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Đồ Họa OFDM Nghiên Cứu Tại UTT 55
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) và tương lai (5G). Ưu điểm nổi bật của OFDM là hiệu suất phổ cao và khả năng chống fading chọn lọc tần số, điều này thu hút sự quan tâm lớn từ giới nghiên cứu khoa học. Nhiều tài liệu đã đề cập đến đặc tính của kỹ thuật này, cũng như mô tả thiết kế bên phát và bên thu. Tuy nhiên, chi tiết thiết kế để thực thi kỹ thuật này trên hệ thống còn hạn chế, hoặc những hướng dẫn chi tiết thiết kế thực thi còn ít ỏi. Luận văn này tập trung vào thiết kế hệ thống truyền dẫn OFDM, trong đó kỹ thuật đồng bộ là một thách thức quan trọng và phức tạp ở phía thu. Kết quả ban đầu đạt được với điều kiện thiết kế mô hình đơn giản xong hoàn toàn có thể cho phép thay đổi và phát triển vào hệ thống phức tạp.
1.1. Kênh Truyền Vô Tuyến và Đặc Tính Pha Đinh Chọn Lọc
Kênh vô tuyến có đặc trưng pha đinh chọn lọc tần số. Điều này xảy ra do trong đường truyền vô tuyến ngoài tia truyền trực tiếp còn có một số tia phản xạ, nhiễu xạ đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Việc cộng hưởng pha hay ngược pha các tia này gây nên thăng giáng lớn cường độ tín hiệu (fading). Ngoài ra, trải trễ giữa các tia gây nên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI). Nếu yêu cầu tốc độ truyền vài Mb thì trễ có thể lớn hơn thời gian ký hiệu truyền và gây nên ISI rất mạnh. Cân bằng thích nghi là cách truyền thống để sửa lại dạng sóng làm giảm ISI, song kỹ thuật này với tốc độ vài Mb/s sẽ khá đắt. Một cách khác và có thể thực hiện truyền băng rộng là OFDM.
1.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Kỹ Thuật OFDM Trong Truyền Dẫn
Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm vượt trội. Đầu tiên, hiệu suất sử dụng phổ cao do tính trực giao cho phép chồng lấn băng tần giữa các kênh con. Thứ hai, dễ thực hiện do sử dụng phép toán IFFT/FFT. Thứ ba, chống chịu được fading đa đường và chọn lọc tần số. Tuy nhiên, OFDM cũng có nhược điểm. Nó nhạy với độ lệch tần số, ngay cả lệch tần rất nhỏ cũng có thể dẫn tới mất tính trực giao giữa các sóng con. Ngoài ra, tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình trong dạng sóng cao (khi các sóng con có thời điểm đồng pha).
II. Cơ Sở Kỹ Thuật Đồng Bộ OFDM Nghiên Cứu Tại ĐH GTVT 58
Chuẩn IEEE 802.11a đưa ra cấu trúc tín hiệu cho việc đồng bộ truyền dẫn OFDM. Vấn đề này được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển, với nhiều thuật toán khác nhau. Song chuẩn cũng cho phép vận dụng mềm dẻo trong các ứng dụng xác định khác nhau. Chương này luận văn trình bày các cơ sở kiến thức và mô tả thuật toán sử dụng để phục vụ thiết kế một bộ thu phát OFDM đơn giản. Các kỹ thuật đồng bộ được nghiên cứu bao gồm phát hiện gói tin, ước lượng và hiệu chỉnh tần số sóng mang, và đồng bộ thời gian.
2.1. Phát Hiện Gói Tin và Xác Định Vùng Quan Tâm ROI Trong OFDM
Với bất kỳ một hệ thống truyền dữ liệu nào thì phần quan trọng nhất của phía thu đó là việc phát hiện ra một gói tin được truyền tới. Vai trò chính của bộ phát hiện gói trong đồng bộ là báo cho các khối khác rằng các mẫu tìm thấy nằm trong phần tiêu đề của gói tin. Phương pháp để phát hiện gói là sử dụng hàm tự tương quan, bằng cách tận dụng ưu điểm của việc lặp lại trong phần tiêu đề STS, để lấy tương quan của mẫu chuỗi tín hiệu nhận được với bản sao của chuỗi lấy độ trễ bằng chiều dài STS trên trung bình của công suất.
2.2. Ước Lượng Độ Lệch Tần Số Sóng Mang Trong Hệ Thống OFDM
Trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến, các tín hiệu OFDM trước khi đưa lên đường truyền sẽ được biến đổi sang tần số sóng mang để truyền đi. Đầu thu được mong đợi sẽ điều chỉnh tới cùng tần số sóng mang cho việc chuyển đổi tín hiệu xuống băng cơ bản, trước khi thực hiện bước tiếp theo. Tuy nhiên, do sự suy giảm của thiết bị mà tần số sóng mang của bên thu không giống với tần số sóng mang của bên phát. Hai tần số này sai khác nhau một lượng, gọi là độ lệch tần số sóng mang. Việc đầu tiên của đồng bộ tần số sóng mang đó là phải xác định được độ lệch tần này.
2.3. Sửa Lỗi Lệch Tần Số và Khôi Phục Tín Hiệu OFDM
Sau khi xác định được độ lệch tần số, tín hiệu ở mẫu thứ n tại phía thu sẽ có thể được tính toán dựa trên phương trình. Việc tính toán này được thực hiện sử dụng bộ Rotation CORDIC. Bộ Rotation CORDIC có đầu vào là một vector (X,Y) và thông qua một góc θ đã xác định, bộ này sẽ trả đầu ra là một vector mới (X’,Y’).
III. Kỹ Thuật Đồng Bộ Thời Gian Nghiên Cứu OFDM Tại UTT 52
Đồng bộ tốc độ lấy mẫu là quá trình đảm bảo rằng các mẫu tín hiệu được thu thập tại phía thu tương ứng với thời điểm chính xác trong ký hiệu OFDM. Quá trình này rất quan trọng để giải điều chế tín hiệu một cách chính xác. Tuy nhiên, do hiệu ứng đa đường cũng như môi trường truyền mà hai quá trình này tại phía phát và thu bị mất đồng bộ. Do vậy sau khi lấy mẫu tại phía thu, cần thực hiện đồng bộ thời gian để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
3.1. Đồng Bộ Thô và Tinh Chỉnh Thời Gian Trong OFDM
Đồng bộ thô được sử dụng để xác định vị trí gần đúng của ký hiệu OFDM, trong khi đồng bộ tinh chỉnh được sử dụng để điều chỉnh vị trí lấy mẫu một cách chính xác hơn. Các kỹ thuật đồng bộ thời gian thường dựa trên việc tìm kiếm các mẫu lặp lại trong tín hiệu OFDM, hoặc sử dụng các tín hiệu pilot được chèn vào tín hiệu.
3.2. Phát Hiện Lỗi Thời Gian Gardner Trong Hệ Thống OFDM
Bộ phát hiện lỗi thời gian Gardner là một kỹ thuật phổ biến để đồng bộ thời gian trong các hệ thống OFDM. Kỹ thuật này dựa trên việc so sánh các mẫu tín hiệu ở các thời điểm khác nhau để xác định xem thời điểm lấy mẫu có bị lệch hay không. Nếu thời điểm lấy mẫu bị lệch, bộ phát hiện lỗi thời gian Gardner sẽ tạo ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh thời điểm lấy mẫu.
IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu OFDM Tại UTT 57
Nghiên cứu về kỹ thuật OFDM tại Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn tập trung vào ứng dụng thực tế. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong các dự án liên quan đến truyền hình số, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, và Internet of Things (IoT). Các mô phỏng và thử nghiệm thực tế đã chứng minh tính hiệu quả của các giải pháp đồng bộ OFDM được đề xuất.
4.1. Mô Phỏng và Phân Tích Hiệu Năng OFDM Sử Dụng Matlab Simulink
Phần mềm mô phỏng như Matlab/Simulink đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống OFDM. Các mô phỏng cho phép các nhà nghiên cứu phân tích hiệu năng của các kỹ thuật đồng bộ khác nhau trong các điều kiện kênh truyền khác nhau. Các kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống OFDM.
4.2. Triển Khai OFDM Trên Phần Cứng FPGA và DSP
Việc triển khai OFDM trên phần cứng như FPGA và DSP cho phép kiểm tra hiệu năng của hệ thống trong môi trường thực tế. Các thử nghiệm thực tế cung cấp thông tin quan trọng về các vấn đề như tiêu thụ năng lượng, độ trễ, và độ tin cậy của hệ thống. Các kết quả thử nghiệm thực tế giúp các nhà nghiên cứu cải thiện thiết kế hệ thống OFDM để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu OFDM Tại UTT 53
Luận văn đã trình bày một nghiên cứu về kỹ thuật đồng bộ trong truyền dẫn OFDM, tập trung vào các kỹ thuật phát hiện gói tin, ước lượng và hiệu chỉnh tần số sóng mang, và đồng bộ thời gian. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tập trung vào việc cải thiện hiệu năng của các kỹ thuật đồng bộ trong các điều kiện kênh truyền phức tạp hơn, và ứng dụng các kỹ thuật này trong các hệ thống truyền thông thế hệ mới.
5.1. Đề Xuất Cải Tiến Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong OFDM
Một trong những thách thức lớn nhất trong các hệ thống OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao. PAPR cao có thể dẫn đến méo tín hiệu và giảm hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. Do đó, việc phát triển các kỹ thuật giảm PAPR là rất quan trọng. Các kỹ thuật giảm PAPR có thể được phân loại thành các kỹ thuật méo tín hiệu, kỹ thuật mã hóa, và kỹ thuật xác suất.
5.2. Nghiên Cứu Ứng Dụng OFDM Trong Internet of Things IoT
OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn tiềm năng cho các ứng dụng IoT. OFDM có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, khả năng chống nhiễu tốt, và hiệu suất sử dụng phổ cao. Các ứng dụng IoT tiềm năng cho OFDM bao gồm nhà thông minh, thành phố thông minh, và nông nghiệp thông minh.
