Các Phương Pháp Hiệu Quả Giảm Nhiễu Liên Sóng Mang Trong Hệ Thống OFDM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống OFDM, nâng cao hiệu suất truyền dẫn tín hiệu.

• Tác giả: Mạc Đức Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang trong hệ thống OFDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật truyền thông đa sóng mang được phát triển từ những năm 1960. Phương pháp giảm nhiễu OFDM đã trở thành một chủ đề nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử. Luận văn này tập trung vào việc phân tích và đánh giá các phương pháp giảm nhiễu liên sóng mang (ICI) trong hệ thống OFDM. Nhiễu ICI là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và hiệu suất của hệ thống. Luận văn cũng đề cập đến các kỹ thuật truyền thông hiện đại và mô hình OFDM để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

1.1. Lịch sử phát triển OFDM

Năm 1966, Chang đã giới thiệu mô hình OFDM cơ bản và được cấp bằng sáng chế vào năm 1970. Hệ thống OFDM sử dụng nhiều sóng mang con trực giao để truyền tải thông tin song song. Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) để tạo ra các sóng mang con, giảm độ phức tạp của hệ thống. Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix) được Peled và Ruiz giới thiệu vào năm 1980 để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).

1.2. Nguyên lý hoạt động OFDM

Hệ thống OFDM hoạt động bằng cách chia tín hiệu thành nhiều sóng mang con trực giao. Các sóng mang này được điều chế và truyền song song, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu. Kỹ thuật truyền thông này đặc biệt hiệu quả trong môi trường có nhiễu và fading. Tuy nhiên, nhiễu ICI là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp giảm nhiễu hiệu quả để duy trì chất lượng tín hiệu.

II. Phân tích nhiễu liên sóng mang ICI

Nhiễu liên sóng mang (ICI) là một vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống OFDM, gây ra bởi sự lệch tần số giữa máy phát và máy thu. Luận văn này phân tích nguyên nhân và ảnh hưởng của nhiễu ICI đến chất lượng tín hiệu. Các phương pháp giảm thiểu nhiễu ICI được đề xuất bao gồm cân bằng miền tần số, cửa sổ miền thời gian, và phương pháp tự triệt ICI. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các phương pháp này trong việc cải thiện tỉ số sóng mang trên nhiễu (CIR).

2.1. Nguyên nhân gây nhiễu ICI

Nhiễu ICI xảy ra do sự lệch tần số giữa máy phát và máy thu, gây ra sự chồng chập giữa các sóng mang con. Điều này làm giảm chất lượng tín hiệu và tăng tỉ lệ lỗi bit (BER). Các yếu tố như sai số đồng bộ, méo dạng kênh truyền, và nhiễu pha cũng góp phần gây ra nhiễu ICI.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu ICI

Nhiễu ICI làm giảm hiệu suất của hệ thống OFDM, đặc biệt trong môi trường có nhiễu và fading. Nó gây ra sự suy giảm tỉ số sóng mang trên nhiễu (CIR) và tăng tỉ lệ lỗi bit (BER). Các phương pháp giảm thiểu nhiễu ICI là cần thiết để duy trì chất lượng tín hiệu và hiệu suất hệ thống.

III. Phương pháp giảm nhiễu ICI

Luận văn này đề xuất và phân tích các phương pháp giảm nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. Phương pháp tự triệt ICI là một trong những phương pháp hiệu quả nhất, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI bằng cách lặp lại ký tự và sử dụng các kỹ thuật điều chế đặc biệt. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể về tỉ số sóng mang trên nhiễu (CIR) và chất lượng tín hiệu.

3.1. Phương pháp tự triệt ICI

Phương pháp tự triệt ICI sử dụng kỹ thuật lặp lại ký tự để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ICI. Mặc dù hiệu suất sử dụng băng thông giảm đi một nửa, phương pháp này có thể được cải thiện bằng cách tăng số sóng mang hoặc sử dụng các kiểu điều chế số cao hơn. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể về tỉ số sóng mang trên nhiễu (CIR).

3.2. So sánh các phương pháp giảm nhiễu

Luận văn so sánh hiệu quả của các phương pháp giảm nhiễu ICI khác nhau, bao gồm cân bằng miền tần số, cửa sổ miền thời gian, và phương pháp tự triệt ICI. Kết quả cho thấy phương pháp tự triệt ICI là hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu nhiễu ICI và cải thiện chất lượng tín hiệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Lý thuyết cơ bản 1. Giới thiệu chung Năm 1966, Chang đưa ra mô hình OFDM cơ bản và đạt được bằng sáng chế năm 1970. OFDM là kĩ thuật truyền tải thông tin song song sử dụng một số lượng lớn sóng mang con được điều chế. Những sóng mang con này chia nhau phần băng thông hữu dụng và vừa đủ tách biệt trên miền tần số sao cho chúng vẫn còn trực giao với nhau.

Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất ra hệ thống OFDM [1] sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform-DFT) để tạo ra các sóng mang con trực giao thay cho việc sử dụng các máy tạo sóng sin.Bằng cách sử dụng các khối biến đổi DFT ngược (Inverse Discrete Fourier Transform-IDFT) và các bộ chuyển đổi số-tương tự, họ đã giảm được đáng kể độ phức tạp của hệ thống. Trong mô hình được đưa ra, tín hiệu băng gốc được điều chế bởi biến đổi IDFT tại máy phát và được giải điều chế bởi biến đổi DFT tại máy thu.Với mô hình này, tất cả sóng mang con sẽ chồng lấp lên nhau trong miền tần số trong khi biến đổi DFT sẽ đảm bảo chúng vẫn trực giao với nhau. Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix-CP) cho hệ thống OFDM được đưa ra lần đầu tiên bởi Peled và Ruiz vào năm 1980 [2].Khoảng bảo vệ được thêm vào để tránh sự chồng chập của 2 ký tự OFDM liên tiếp khi truyền tín hiệu để đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.Sử dụng khoảng bảo vệ đã đánh đổi một phần năng lượng hữu ích khi truyền tải tuy nhiên phương pháp này giúp giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xuyên kí tự (Inter Symbol Interference-ISI).Vì vậy khoảng bảo vệ được các chuẩn IEEE hiện tại đề xuất thực hiện. Năm 1980, Hirosaki đưa ra thuật toán cân bằng để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu ISI và nhiễu xuyên sóng mang (Inter Carrier Interference-ICI) [3] tạo ra do méo dạng kênh truyền, sai số do đồng bộ hay sai số về pha của tín hiệu.

Đồng thời, Hirosaki cũng sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot và mã hóa vào hệ thống OFDM tốc độ cao của mình. MẠC ĐỨC DŨNG GVHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 15 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU LIÊN SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM Năm 1985, Cimini đưa ra phương thức cơ bản về pilot để giảm ảnh hưởng của nhiễu do đa dường [4].Những năm 1990, hệ thống OFDM được khai thác sử dụng cho việc thông tin tốc độ cao.Trong chuẩn IEEE 802.1, tần số sóng mang có thể rất cao lên đến 2.4 GHz hay 5 GHz. Những nghiên cứu gần đây hướng đến sử dụng hệ thống OFDM hoạt động ở các tần số cao hơn gấp nhiều lần.Ví dụ, chuẩn IEEE 802.16 đưa ra tần số hoạt động từ 10 GHz đến 60 GHz.

Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm của hệ thống OFDM là nó rất nhạy cảm với sai lệch về tần số, nguyên nhân tạo ra nhiễu ICI.Sự xuất hiện không mong muốn của ICI ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.Nhiều tác giả đã đề xuất các phương thức khác nhau để giảm ảnh hưởng của ICI.Đó cũng là một trong những mục tiêu của luận văn. Mô tả OFDM là sự kết hợp giữa điều chế và phân tập.Phân tập ảnh hưởng đến các tín hiệu độc lập với nhau được tạo ra từ các nguồn khác nhau.Trong hệ thống FDM, tín hiệu đầu tiên được chia thành nhiều kênh độc lập, được điều chế từ dữ liệu sau đó kết hợp lại thành sóng mang FDM. Nếu hệ thống FDM trên sử dụng tập hợp các sóng mang con trực giao với nhau thì hiệu suất sử dụng phổ sẽ tốt hơn.Khoảng bảo vệ là cần thiết để tách biệt 2 kí tự trong hệ thống FDM có thể bỏ qua nếu các sóng mang con là trực giao.Việc sử dụng sóng mang trực giao cho phép phổ tần số của các sóng mang con chồng lấp lên nhau, giúp tăng hiệu suất phổ hữu ích. Khi tính trực giao giữa các sóng mang còn tồn tại, ta có thể khôi phục lại từng sóng mang con riêng biệt mà không cần quan tâm đến sự chồng chập của chúng.Với cách này ta đã tiết kiệm được gần một nửa băng thông do sự chồng lấp tần số.

Càng nhiều sóng mang con được sử dụng, băng thông sẽ tiến tới tỉ số (N+1)/N bit trên Hz. Số sóng mang con càng lớn thì hiệu suất phổ càng cao. Ý tưởng chính của OFDM là tính trực giao của các sóng mang con.Trực giao trong OFDM có thể hiểu là tần số của các sóng mang con có mối quan hệ chính xác về toán học. Ta có thể sắp xếp các sóng mang con để chúng chồng lấp lên nhau mà vẫn có thể khôi phục lại.Để đạt được điều này, các sóng mang con phải thực sự trực giao với nhau về mặt toán học.Các sóng mang là độc lập tuyến tính nếu khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/Ts với Ts là thời gian tồn tại của kí tự.

MẠC ĐỨC DŨNG GVHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 16 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU LIÊN SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM Tính trực giao của các sóng mang có thể được đảm bảo nếu hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Fourier.Hệ thống OFDM truyền tải một số lượng lớn sóng mang băng hẹp, mà khoảng cách giữa chúng rất gần. Yêu cầu là tại tần số trung tâm của mỗi kênh không bị cross-talk bởi các kênh khác.Trong hệ thống OFDM, chuỗi bit đầu vào được chia thành N chuỗi kí tự, mỗi kí tự có khoảng thời gian tồn tại Ts, và mỗi chuỗi kí tự được điều chế thành các sóng mang con song song, đồng bộ. Các sóng mang con cách nhau một khoảng 1/NTs về tần số để chúng vẫn trực giao trong khoảng (0, Ts).

Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian cơ bản được mô tả như hình 1.1: Hệ thống truyền OFDM băng gốc rời rạc về thời gian. Đầu tiên, bộ chuyển nối tiếp ra song song (Serial to Parallel-S/P) nhóm chuỗi bit từ bộ mã hóa thành từng nhóm log2M bit, với M là kích thước của điều chế số trên mỗi sóng mang.Kết quả N kí tự, Xm, được tạo ra.Sau đó, N kí tự này được đưa vào khối biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Transform).Đầu ra của khối IFFT tương ứng với các sóng mang con trực giao trong hệ thống OFDM. Kí tự OFDM cho bởi biểu thức: 1 ( )= 0≤ ≤ −1 (1.1) MẠC ĐỨC DŨNG GVHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 17 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU LIÊN SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM Với Xm là kí tự băng gốc trên mỗi sóng mang con.Khối chuyển đổi số qua tương tự (Digital to Analog Converter-DAC) sau đó tạo ra tín hiệu tương tự trên miền thời gian.Tín hiệu này sẽ được truyền đi qua kênh truyền.

Tại máy thu, tín hiệu này sẽ được chuyển đổi ngược thành chuỗi N điểm rời rạc y(n), tương ứng với mỗi sóng mang con.Tín hiệu rời rạc này được giải điều chế dùng biến đổi FFT N điểm. Chuỗi kí tự sau điều chế cho bởi biểu thức: ( )= ( ) + ( ) 0≤ ≤ −1 (1.2) Trong đó W(m) là biến đổi FFT của w(n), là nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise) tạo ra bởi kênh truyền. Tốc độ truyền dữ liệu cao của hệ thống OFDM có được do truyền đồng thời các sóng mang con trực giao tốc độ thấp. Do truyền tải ở tốc độ thấp nên sự méo dạng tín hiệu nhận được do trễ đa đường không đáng kể so với hệ thống truyền tốc độ cao sử dụng duy nhất một sóng mang.

Ví dụ, tín hiệu băng hẹp gửi dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền đa đường sẽ nhận nhiều ảnh hưởng xấu hơn từ trễ đa đường do các kí tự quá gần nhau. Méo dạng do đa đường cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu xuyen kí tự ISI làm các kí tự chồng chập lên nhau.Điều này đã được ngăn chặn trong hệ thống OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ giữa các kí tự OFDM. Khoảng bảo vệ này được loại bỏ ở máy thu để loại trừ ISI.Nó phụ thuộc vào khả năng của hệ thống OFDM đối với ảnh hưởng của ISI và méo dạng đa đường.Đó là vấn đề cần quan tâm trong nhiều ứng dụng chuẩn và không dây. Lý thuyết về OFDM OFDM là kỹ thuật truyền dữ liệu song song bằng cách sử dụng một số lượng lớn sóng mang con được điều chế.

Những sóng mang con (những kênh con) phân chia khoảng băng thông hữu ích và tách biệt vừa đủ để chúng trực giao với nhau.Điều này có nghĩa là phổ của mỗi sóng mang bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác.Kết quả là không có sự ảnh hưởng qua lại giữa các sóng mang mặc dù phổ của chúng chồng lấp lên nhau. Về lí thuyết, khoảng cách giữa các sóng mang càng nhỏ thì hiệu suất sử dụng phổ càng tối ưu.OFDM đáng quan tâm bởi vì cách nó chống lại nhiễu ISI, được tạo MẠC ĐỨC DŨNG GVHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU LIÊN SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM ra do hiệu ứng fading đa đường chọn lọc tần số (frequency selective multipath fading) của kênh truyền không dây. Mỗi sóng mang con được điều chế với tốc độ kí tự chậm, làm cho những kí tự dài hơn đáp ứng xung của kênh truyền.Bằng cách này ảnh hưởng của ISI được giảm bớt.Hơn thế nữa, nếu thêm vào khoảng bảo vệ giữa hai kí tự OFDM liên tiếp, ảnh hưởng của ISI có thể hoàn toàn biến mất.Khoảng bảo vệ phải dài hơn thời gian trễ đa đường.Mặc dù các sóng mang con được điều chế ở tốc độ thấp nhưng khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao vẫn đạt được bằng cách sử dụng số lượng sóng mang con lớn.

ISI có ảnh hưởng ít hoặc gần như không ảnh hưởng lên hệ thống OFDM vì vậy không cần có bộ cân bằng ở phía máy thu.Trong hệ thống OFDM, thuật toán biến đổi ngược nhanh Fourier/ biến đổi nhanh Fourier (IFFT/FFT) được sử dụng ở khối điều chế và giải điều chế tín hiệu.Chiều dài của vector IFFT/FFT xác định khả năng của hệ thống chống lại sai số tạo ra do kênh truyền đa đường.OFDM được thực hiện trước nhất là chọn phổ yêu cầu dựa trên dữ liệu đầu vào và phương pháp điều chế. Dữ liệu được chia cho các sóng mang con để truyền tải. Điện áp và pha của sóng mang được tính toán dựa theo phương pháp điều chế, cơ bản là BPSK, QPSK hay QAM.Sau đó IFFT chuyển phổ thành tín hiệu trên miền thời gian.Thuật toán FFT chuyển tín hiệu trên miền thời gian về lại phổ tần số tương ứng.Tìm dạng sóng tương ứng, tạo bởi các sóng hình sin trực giao. Tần số và pha của các sóng hình sin biểu diễn phổ tần số của tín hiệu trên miền thời gian.