chương 1 chúng ta đã giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM. Trong đó, chúng ta đề cập đến những vấn đề kỹ thuật mà hệ thống OFDM gặp phải. Ở chương này, chúng ta giải quyết vấn đề ước lượng tham số kênh. Ước lượng tham số kênh (Channel Estimation) trong hệ thống OFDM bao gồm: xác định hàm truyền đạt kênh nhánh và thời gian thực hiện giải điều chế kết hợp bên thu.
Trong chương này chúng ta tìm hiểu các phương pháp ước lượng kênh: ước lượng kênh sử dụng ký tự dẫn đường và ước lượng Wiener. Trước hết, chúng ta hãy giới thiệu sơ về đặc tính của kênh vô tuyến di động và những ảnh hưởng của nó đến tín hiệu.2 Tổng quan về kênh vô tuyến 2.1 Suy hao Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến sẽ yếu đi khi khoảng cách xa. Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: 2 PR PT GT GR [10] (2.1) 4R Trong đó: PR là công suất thu được (W); PT là công suất phát (W); GT là độ lợi anten phát (dB); GRlà độ lợi anten thu (dB); là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m); R là khoảng cách truyền dẫn (m).2 Bóng mờ và Fading chậm Các ứng dụng di động vô tuyến, môi trường truyền thường có các vật cản Các vật này gây ra phản xạ trên bề mặt và làm suy hao tín hiệu truyền qua chúng gây nên hiện tượng bóng mờ. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF.
Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm.2) cho chúng ta công suất thu của tín hiệu trong môi trường có các thành phần suy hao đường truyền. PR PT GT GR [10] (2.2) 4R Trong đó: là thành phần suy hao đường truyền Nguyễn Ngọc Anh_CCVT03A 15 Nghiên cứu về OFDM và ứng dụng vào truyền số mặt đất DVB-T Hệ số suy hao Môi trường Tần số (MHz) đường Cửa hàng bán lẻ 914 2,2 Cửa hàng bách hoá 914 1,8 Văn phòng có vách ngăn 1500 3,0 Văn phòng 900 2,4 Văn phòng 1900 2,6 Xưởng dệt/cơ khí 1300 2,0 Xưởng dệt/cơ khí 4000 2,1 Bảng 2.1[10] Hệ số suy hao đường truyền trong các môi trường khác nhau 2.3 Ảnh hưởng đa đường và Fading nhanh Trong quá trình truyền, tín hiệu RF có thể bị phản xạ từ các vật thể như nhà cao tầng, đồi núi, tường, xe cộ v. Môi trường đa đường có các tia phản xạ là nguyên nhân chính gây ra fading nhanh. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình (2.
Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu. Công suất 1 4 5 2 3 Thời gian truyền Hình 2.1[10] Đáp ứng xung thu được khi truyền một xung RF 2.4 Độ trải trễ Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu. Khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ của kênh thông tin, ta có thể xác định được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được trong khi bảo đảm nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép.
Đối với truyền dẫn OFDM, mỗi ký tự tương ứng với nhiều sóng mang con băng nhỏ truyền dẫn song song. Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu. Điều này gây nhiễu xuyên ký tự ISI. Các phương thức điều chế bậc cao hơn như 16-QAM, 256-QAM v.
có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn, nhạy hơn nhiều đối với nhiễu ISI và như vậy độ trải trễ phải ít hơn nhiều so với khoảng thời gian ký tự. Nguyễn Ngọc Anh_CCVT03A 16 Nghiên cứu về OFDM và ứng dụng vào truyền số mặt đất DVB-T 2.5 Độ dịch Doppler Bất cứ khi nào trạm phát và trạm thu có sự di chuyển so với nhau, tần số thu được của sóng mang sẽ khác với tần số sóng mang fC được truyền. Khi một trạm di động di chuyển với vận tốc không đổi v tạo thành một góc đối với phương của tín hiệu tới. Tín hiệu thu được s(t) có thể viết như sau: s(t ) ReA exp j 2 f C f D t [12] (2.3) Trong đó: A là biên độ; fClà tần số phát; fDđộ dịch tần Doppler.
v vfc fD cos cos [12] (2.4) c do vậy tần số thu được là: f r f C f D [12] (2.5) Độ dịch Doppler lớn nhất fm được cho bởi: vf c fm [12] (2.6) c Trong môi trường thực tế, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường phản xạ có khoảng cách khác nhau và góc đến khác nhau. Vì vậy, khi phát một sóng sin có thêm độ dịch Doppler, khi thu sẽ có phổ mở rộng từ f C (1 v / c) và f C (1 v / c) , được gọi là phổ Doppler. Khi tất cả các hướng di chuyển của trạm di động hoặc tất cả các góc tới được giả sử là có xác suất bằng nhau, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu thu được cho bởi: K 1 S( f ) [12] (2.7) 2f m f fc 2 1 fm Trong đó: K là hằng số 2.6 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số.
Khoảng cách đường truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau.3) biểu diễn một ví dụ về truyền hai đường. Đường 1 hướng trực tiếp cách 10 m, đường 2 hướng phản xạ cách 25 m. Đối với bước sóng 1 m. Nếu chúng ta thay đổi tần số là 0,9 m thì đường một sẽ có 10 / 0,9 11,111 Nguyễn Ngọc Anh_CCVT03A 17 Nghiên cứu về OFDM và ứng dụng vào truyền số mặt đất DVB-T hay có pha là 0,111 360 0 40 0 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 27,778 , hay có pha là 0,778 360 0 280 0 , điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này.
Mặt phản xạ 8m Đường1 17m Thu Đường2 10m Phát Hình 2.3[12] Minh họa fading lựa chọn tần số 2.3 Mô hình kênh và ước lượng kênh 2.1 Mô hình kênh Trong hệ thống OFDM, đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn như sau: h(t , ) k (t ) ( k ) [13] (2.11) k Trong đó: k là thời gian trễ của đường truyền thứ k, k (t ) là biên độ phức tương ứng Rời rạc hóa mô hình trên, nghĩhoáà ht , hnT f , lTs , rồi áp dụng DFT ta được: 1 K 1 j 2kl H n, k hn, l exp 0 [13] (2.12) K l 0 N Trong đó: N là số kênh nhánh của một khối OFDM. Tf, f là độ dài thời gian và khoảng cách kênh nhánh của hệ thống OFDM, chu kỳ mẫu quan hệ với f như sau: T f 1 / Nf , K0 là thời gian trễ trong mẫu hoặc độ dài đáp ứng xung kênh truyền, thường thì rất nhỏ hơn N (K0<<N).2 Ước lượng kênh Một kỹ thuật đơn giản để ước lượng kênh là gửi tín hiệu pilot tn, k trong quá trình truyền trên mọi kênh nhánh: rn, k H n, k tn, k wn, k với k=0, 1,…, N-1 [13] (2.13) Trong đó: N là số kênh nhánh của khối OFDM, H[n,k] là đáp ứng tần số của kênh thứ k, w[n,k] là AWGN. Ước lượng kênh trong miền tần số thực hiện độc lập với mọi kênh nhánh. Các ước lượng kênh H FDE n, k nhận được bằng cách chia tín hiệu thu rn, k cho tín hiệu Nguyễn Ngọc Anh_CCVT03A 18 Nghiên cứu về OFDM và ứng dụng vào truyền số mặt đất DVB-T truyền tn, k và chuyển đến ước lượng miền tần số (FDE: Frequency Domain Estimation) nghĩa là: r n, k H FDE n, k với k=0, 1, …N-1[13] (2.14) t n, k Kỹ thuật này thực hiện đơn giản, tuy nhiên không diễn tả được mỗi tương quan trong các phép ước lượng kênh nhánh.
Để thực hiện ước lượng kênh, chúng ta lợi dụng mối tương quan của các phép ước lượng kênh nhánh trong miền tần số bằng cách chuyển đến miền thời gian. Chúng ta biết rằng các phép ước lượng kênh nhánh trong miền thời gian thường bị giới hạn bởi độ dài trải trễ kênh K0, mà K0 thì nhỏ hơn chiều dài tiền tố lặp (CP) là . Do đó, phép lấy cửa sổ chỉ yêu cầu các ước lượng kênh K0 đầu tiên trong miền thời gian giúp cho giảm nhiễu về không, mặt khác nó thể hiện kết quả các ước lượng kênh tốt hơn. Sau đó chuyển đổi ngược trở lại miền tần số cho yêu cầu của phép ước lượng kênh được đề nghị.
Biểu diễn bằng công thức: 1 K 1 j 2kl hFDE n, l H FDE n, k exp với l=0, 1,…, N-1 [13] (2.15) K k 0 K hPRO n, l hFDE n, l n, l với l=0, 1,…, N-1 [13] (2., N 1 j 2lk H PRO n, k hPRO n, l exp 1 với k=0,1,…,N-1 [13] (2.18) K K Trong đó: hFDE n, l là IDFT của hFDE n, k n, k là cửa sổ miền thời gian hPRO n, l là các ước lượng kênh nhánh được lấy cửa sổ trong miền thời gian H PRO n, k là các ước lượng kênh miền tần số, là IDFT của hPRO n, l 2.4 Các phương pháp ước lượng kênh 2.1 Phương pháp ước lượng kênh dùng pilot Phương pháp này được thực hiện bằng cách chèn các tone pilot vào mọi sóng mang nhánh của các ký tự OFDM theo một chu kỳ nào đó hoặc chèn các tone pilot vào mỗi ký tự OFDM. Tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu bên thu đã biết.