Cải Thiện Hiệu Năng Hệ Thống Trên Cơ Sở Sử Dụng Mã Gray

Hình 2.5 chỉ rõ sự thu tín hiệu không như mong muốn ở phía thu. Chúng ta sẽ không chỉ thu duy nhất 1 bản tín hiệu gốc bên phát mà thu được nhiều bản sao của nó. Mỗi bản sao sẽ có độ trải trễ khác nhau. Và tín hiệu sau sẽ chồng lên tín hiệu trước gây khó khăn cho việc khôi phục nếu ta không khử được nhiễu này.

2.4.1.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI

Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Copy

IFFT

TIFFT

Tsymbol

Khoảng bảo vệ

Kí hiệu thứ N-1

Kí hiệu thứ N

Kí hiệu thứ N+1

Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM

Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách copy phần cuối kí hiệu lên phần đầu của cùng kí hiệu. Nhờ đó tín hiệu sẽ có tính liên tục, không bị gián đoạn tại điểm nối, đảm bảo tính trực giao xuyên suốt. Đồng thời có lợi dụng việc copy đó để thực hiện bước đồng bộ kí hiệu qua phương pháp nhân tương quan.

Chiều dài tổng của kí hiệu là Tsymbol = TG + TIFFT, trong đó, Tsymbol là tổng chiều dài của kí hiệu, TG là chiều dài của khoảng bảo vệ, và TIFFT là kích thước IFFT được sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM.

OFDM có thể khắc phục hoàn toàn được nhiễu ISI bằng việc dùng khoảng bảo vệ. Và theo hình 2.5, điều kiện để đảm bảo tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:

max

Tx

Tg

Trong đó,

max là độ trải trễ cực đại

Tx: khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu thu dữ liệu ở máy thu cho đến khi thực hiện lấy mẫu tín hiệu.

Tg: độ dài khoảng bảo vệ phải được áp dụng vào dữ liệu bên phát.

Điều này là hiển nhiên, khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ trải trễ cực đại thì symbol sau sẽ hoàn toàn không ảnh hưởng đến symbol trước do hiệu ứng fading đa đường. Tuy nhiên, khoảng bảo vệ là khoảng dữ liệu không mang thông tin, là dữ liệu truyền vô ích nên tùy điều kiện môi trường để chọn cho hợp lý, tiết kiệm băng tần.

2.4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục

2.4.2.1. Nhiễu ICI và những ảnh hưởng

ICI (Inter-Channel Interference) là nhiễu xuyên kênh, là nhiễu phát sinh do tín hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau.

ICI (Inter-Cell Interference) là nhiễu liên tế bào hay nhiễu giữa các tế bào, là nhiễu phát sinh do tín hiệu cùng băng tần trên các tế bào (Cell) khác nhau trong mạng di động gây nhiễu lên nhau.

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 chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và máy thu, có sự chuyển động tương đối giữa chúng. Do tính chọn lọc tần số của kênh fading.

Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể khôi phục chính xác như đã phát.

2.4.2.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI

Để hạn chế ảnh hưởng của ICI, người ta chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn và dùng pilot dẫn đường giúp ước lượng và cân bằng kênh khi khôi phục tín hiệu ở phía thu.

2.4.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray

Bất kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm và hiệu quả phổ tần. Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thống khác.

Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống. Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy thu. Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là

tạp âm trên chính kênh truyền ISI, ICI, IMD. Nếu không làm giảm, không có biện pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và không thể khôi phục.Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray. Mã hóa Gray là phương pháp mã hóa dữ liệu mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit. Nhờ đó sẽ giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một kí hiệu đơn.

Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray

Cơ số 10

Mã Gray	Cơ số 10	Mã Gray
0	0000	8	1100
1	0001	9	1101
2	0011	10	1111
3	0010	11	1110
4	0110	12	1010
5	0111	13	1011
6	0101	14	1001
7	0100	15	1000

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

Giản đồ IQ (Imphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vectơ truyền cho tất cả các từ mã dữ liệu. Mỗi từ mã dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiễu lỗi bit xảy ra từ một symbol đơn.

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 2.7 minh họa sơ đồ IQ cho phép điều chế 16-QAM sử dụng mã Gray. Đây là phép điều chế sẽ được sử dụng trong sản phẩm thực hiện hệ thống truyền thông OFDM ở bên dưới. Như trong hình của phép điều chế thì ta có thể thấy rõ thì mỗi từ mã đứng cạnh nhau chỉ sai khác nhau 1 bit theo pháp mã hóa Gray

Hình 2.6 Sơ đồ chòm sao 16-QAM

2.4.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần. Trong thực tế với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thông OFDM ít phức tạp hơn so với một thệ thống đơn sóng mang.

Phổ của tín hiệu OFDM là phổ tổng hợp của các thành phần tần số sóng mang con có dạng sinc [xin(x)/x]. Các sóng mang con trong kỹ thuật OFDM chồng lấn lên nhau, trực giao với nhau, nhờ đó mà băng tần trong kỹ thuật OFDM sử dụng đã tiết kiệm hơn rất nhiều so với các kỹ thuật ghép kênh khác. Tuy nhiên, phổ tổng hợp của chúng vẫn sẽ có một đường bao bên chiếm một lượng băng tần khá lớn. Các đường bao này chính là thành phần tần số ngoài băng và cần loại bỏ nó.

Tần số ngoài băng sẽ được loại bỏ khi sử dụng một bộ lọc băng thông hoặc dùng khoảng bảo vệ cosin tăng. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 2 giải pháp này.

2.4.4.1. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng.

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ bớt đường bao bên của phổ tín hiệu OFDM là tạo khoảng bảo vệ cosin tăng. Phương pháp này thực hiện làm dốc khoảng bảo vệ ép nhọn nó đến ‘0’ trước kí hiệu tiếp theo. Sự ép nhọn khoảng bảo vệ chuyển giao giữa các kí hiệu sẽ làm giảm công suất đường bao bên, thực hiện tối ưu hơn cho việc loại bỏ tín hiệu ngoài băng.

Hình 2.7 Cấu trúc khoảng bảo vệ RC

Khoảng bảo vệ cosin tăng Raise Cosin (RC) được tạo ra với hình dạng một hàm cosin bình phương. Tính chất giảm dần đến ‘0’ của khoảng RC được chọn rất nhỏ và có thể bỏ qua ở phía thu. Nhiễu ISI do nó gây ra sẽ rất thấp.

Một ví dụ về hình dạng hàm cosin tăng: (i = 1:delta)

cos_val = cos( i*PI/(2.0*(delta - 1)) ); cos_Table[i] = float(cos_val * cos_val);

Với delta là khoảng chiều dài ta chọn thực hiện làm khoảng bảo vệ RC.

Bảng cosin tăng cos_Table sẽ được kết hợp với tín hiệu OFDM để tạo thành khoảng RC.

Trên thực tế, khoảng bảo vệ RC được chọn theo phần phẳng của tín hiệu OFDM và chọn sao cho nó có thể bỏ qua ở phía thu mà vẫn thu được dữ liệu bình thường.

RC là phần trăm cosin tăng. TRC là độ dài khoảng RC.

RC 

TRC TFFT TGI

.100%

(2.7)

TFFT là độ dài tín hiệu OFDM sau khi thực hiện IFFT chưa thêm khoảng bảo vệ.

TGI là độ dài khoảng bảo vệ phẳng GI.

Trên thực tế thì việc thêm khoảng bảo vệ là không đủ để giảm đường bao bên đáng kể, vì thế cần phải dùng thêm bộ lọc băng thông.

2.4.4.2Phương pháp dùng bộ lọc băng thông

Chúng ta đã xem xét việc sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng để cắt bớt thành phần tần số ngoài băng giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, để có thể sử dụng triệt để hơn, chúng ta phải sử dụng đến bộ lọc băng thông. Sự cắt của bộ lọc băng thông là rất gọn, điều này cho phép phân chia các khối tín hiệu OFDM một cách hiệu

quả. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép các khối tín hiệu OFDM có thể được xếp rất gần nhau trong miền tần số, nhờ đó giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên sự cắt rất khít này sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (signal noise rate) SNR. Cần xem xét ảnh hưởng của nó khi thiết kế một hệ thống OFDM dùng bộ lọc.

Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số sang dạnh sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ. Trong OFDM loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên tín hiệu OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng. Bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỷ lệ cắt cao hơn nhiều so với bộ lọc tương tự. Do đó, chúng giúp ích nhiều trong việc hạn chế băng thông vô ích của tín hiệu OFDM.

Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Độ phức tạp của tính lọc băng thông FIR

Việc sử dụng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do các tín hiệu OFDM có dạng Sinc ở miền tần số. Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR, số tap cần thiết (số lượng nhánh của bộ lọc FIR) tương ứng với:

Ntaps

ceil( Wt .NFFT )

(2.8)

Ntaps: số tap (nhánh) của bộ lọc FIR.

Wt: độ rộng quá độ của cửa sổ dùng để chế tạo bộ lọc FIR. NFFT: kích thước FFT để tạo tín hiệu.

Ft: độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hóa cho khoảng cách tải phụ. Ceil: phép làm tròn về phía lớn hơn.

Hình 2.9 mô tả đặc tuyến của bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị ft khác nhau. Ta thấy ft càng nhỏ thì tác dụng cắt càng hiệu quả.

Hình 2.8 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser β=3.4

Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

Trong miền thời gian, symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số. Và nếu sử dụng bộ lọc băng thông áp dụng đến tín hiệu OFDM thì dạng sóng tín hiệu trong tần số sẽ có dạng hình chữ nhật và suy giảm trong miền thời gian sẽ có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này gây thêm nhiễu ISI giữa các symbol OFDM làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật.

Ta có thể loại bỏ nhiễu ISI do bộ lọc gây ra bằng việc dùng khoảng bảo vệ có độ dài thích hợp một cách dễ dàng. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.

CHƯƠNG III. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

3.1. MỞ ĐẦU

Bất kỳ một hệ thống viễn thông nói chung nào cũng đều cần có khâu đồng bộ giữa tín hiệu bên phát và tín hiệu bên thu để kỳ vọng có thể thu được tín hiệu đúng như tín hiệu gốc ban đầu. Đồng bộ càng chính xác thì hiệu năng của hệ thống càng cao. Đặc biệt, nhược điểm của hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM là dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là lỗi đồng bộ tần số do mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ thì vấn đề đồng bộ càng là một vấn đề quan trọng cần xem xét.

Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn các lỗi gây ra sự mất đồng bộ và các phương pháp xử lý chúng: đồng bộ kí tự (symbol) để nhận biết khung; đồng bộ tần số lấy mẫu để điều chỉnh sai số lấy mẫu; đồng bộ tần số sóng mang để sửa chữa khoảng dịch tần số. Chúng ta sẽ xem xét thêm ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất của hệ thống.

3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

Đồng bộ là nhiệm vụ cơ bản của mỗi hệ thống thông tin số nói chung và hệ thống OFDM nói riêng. Hệ thống OFDM có nhiều lợi ích trong việc sử dụng hiệu quả phổ tần nhờ tính trực giao của các sóng mang con và điều chế thích nghi như đã trình bày. Tuy nhiên chính những đặc điểm này lại làm cho hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM đặc biệt dễ dàng bị ảnh hưởng lỗi do đồng bộ, lỗi vì sự sai lệch tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doopler khi di chuyển, gây ra nhiễu giao tần số ICI.

Một hệ thống OFDM sẽ không thể thực hiện tốt nếu không có sự đồng bộ chính xác. Như chúng ta đã biết, tín hiệu OFDM là tổng hợp của các sóng mang phụ trực giao với nhau, và ta chỉ có thể thu được tín hiệu chính xác khi có các sóng mang đó vẫn còn tính trực giao. Các sóng mang này chỉ hoàn toàn trực giao khi bên phát và bên thu sử dụng những tần số hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, bộ dao động ở bên phát và bên thu sẽ không thể hoạt động ở cùng một tần số như nhau được. Hơn nữa với việc thực hiện truyền thông vô tuyến thì dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn thì các sóng mang con sẽ khó còn đảm bảo tính trực giao. Ngoài ra, vì quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng kí tự không còn chính xác. Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng.

Vậy, nếu các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu hoạt động chính xác thì khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng thời gian symbol là những yếu tố chính