Đồng Bộ Kí Tự Dựa Trên Mã Đồng Bộ Khung Fsc

- Định nghĩa hàm tương quan chéo của 2 quá trình xác suất

Rxy () E[x(t).y(t )]

- Hàm tự tương quan của một quá trình xác suất

Rxx () E[x(t).x(t )]

Tính chất của hàm tự tương quan:

Rxx () Rxx ()

(3.13)

(3.14)

(3.15)

R (0) E[x2 ]=2 m2 (3.16)

xx x x

R (0) m2 (3.17)

xx x

Trong đó, E[x]: kỳ vọng của biến ngẫu nhiên x.

mx: momen bậc 1 của biến ngẫu nhiên x là kỳ vọng của biến xác suất đó.

x

2 : phương sai của biến ngẫu nhiên x.

- Hệ số tự tương quan



2

R () m2

- Hệ số tương quan chéo

xx () xx x x

(3.18)

xy

() Rxy () mxmy

xy

(3.19)

Hai quá trình được gọi là không tương quan nếu hệ số tương quan chéo của chúng bằng 0. Hai quá trình độc lập xác suất thì bao giờ cũng không tương quan. Trường hợp ngược lại không luôn luôn đúng.

Mỗi quan hệ giữa mật độ phổ năng lượng và hàm tự tương quan của một quá trình xác suất



j

Sxx () Rxx ()e d



Đồng bộ dựa vào tính tương quan

Theo đặc tính của hàm tương quan chéo là một hàm số đánh giá sự tương quan, sự giống nhau của 2 mẫu tín hiệu được đem ra so sánh. Nếu 2 chuỗi tín hiệu này càng giống nhau thì giá trị đỉnh tương quan của phép nhân tương quan chéo này càng lớn. Đó là khi 2 chuỗi tín hiệu giống hoàn toàn nhau và phép nhân tương quan chéo trở thành tự tương quan.

Do đó ta sẽ thực hiện nhân tương quan chuỗi số có độ dài đúng bằng chiều dài chuỗi bảo vệ. Ta sử dụng 1 cửa sổ trượt có chiều dài bằng chiều dài chuỗi bảo vệ thì khi cửa sổ nằm đúng tại điểm đầu khung OFDM ta sẽ đạt được đỉnh tương quan lớn nhất. Bằng cách đi tìm đỉnh lớn nhất này ta sẽ xác định được điểm đầu khung dữ liệu.

Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng 1 bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả tính toán tạm thời là giá trị các đỉnh tương quan khi cho cửa sổ trượt trong khi thu tín hiệu. Sự nhận biết khung thành công khi:

- Phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất

- Tỷ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất

định.

Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan

Hình 3.6 là hình ảnh khi ta thực hiện nhân tương quan tín hiệu thu được tại bên thu với cửa sổ trượt chính bằng khoảng tiền tố lặp CP và 2 mẫu tín hiệu nhân tương quan cách nhau chiều dài bằng chiều dài symbol khi chưa thêm khoảng bảo vệ là NFFT.

Sau khi thực hiện nhân tương quan, ta sẽ thu được kết quả có các đỉnh tương

quan lớn nhất nằm ở những vị trí chính là điểm đầu của mỗi khung OFDM.

Đồng bộ dựa vào giá trị trung bình bình phương tối thiểu

Xét 2 khoảng tín hiệu thu cách nhau N (NFFT) bước.

d m

r m

– r m

N 

(3.20)

Với N là số sóng mang phụ bằng NFFT. N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp. Nếu r(m) và r(m-N) tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất của d(m) là |d(m)|2 trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM.

Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng thời gian bằng khoảng thời gian của CP (điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của symbol OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của symbol OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của symbol OFDM, và đồng bộ kí tự được thực hiện.

3.3.2. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot

Pilot có thể được hiểu như những mẫu kí tự dẫn đường, làm hoa tiêu. Tín hiệu bên phát khi truyền qua kênh vô tuyến thì biên độ và pha đã bị thay đổi. OFDM sẽ dụng pilot để ước lượng và cân bằng kênh truyền. Nhờ đó có thể thu lại tín hiệu có hình dạng giống như bên phát. Bên cạnh chức năng chính đó, người ta cũng có thể sử dụng luôn pilot cho khâu đồng bộ. Bên phát và bên thu đều biết trước về pilot, biết trước về cách chèn pilot, mô hình pilot. Hình 3.4 là hình ảnh thực tế trong hệ thống mô phỏng đã chèn pilot vào luồng dữ liệu tuần tự sau vài khung dữ liệu.

Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế

Thuật toán đồng bộ gồm 3 bước: Nhận biết công suất (Power Detection), đồng bộ "thô" (Coarse Synchronization) và đồng bộ "tinh" (Fine Synchronization).

Nhiệm vụ của việc nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng.

Trong bước đồng bộ "thô", tín hiệu sẽ được đồng bộ lúc đầu với độ chính xác thấp bằng một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này không cao nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện được sự đồng bộ "thô", người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu được với pilot mà bên thu và bên phát đã cố định từ trước rồi tìm đỉnh tương quan. Tần số ước lượng của các điểm phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan.

Trong bước đồng bộ "tinh", do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng của lỗi đồng bộ và đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong khoảng của CP (vì khoảng thời gian của CP phải lớn hơn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy, lỗi pha ở các sóng mang của các kênh phụ chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Khi đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng.

Các symbol pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý.

3.3.3. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC

Bên trên là các thuật toán đồng bộ khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của symbol, hay dựa vào sự biết trước symbol pilot ở cả bên phát và bên thu. Tuy nhiên, các thuật toán đó có nhược điểm là chỉ phát hiện chính xác điểm đầu kí tự với điều kiện là tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR là cao. Nếu tỷ số đó mà thấp quá thì biện pháp đồng bộ sẽ không hiệu quả. Các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của kí tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường. Chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp đồng bộ sử dụng mã đồng bộ khung.

Ta sẽ truyền dữ liệu cộng thêm một khung dữ liệu đồng bộ bổ sung vào đầu của luồng dữ liệu OFDM. Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung symbol và vùng dữ liệu cho truyền dẫn symbol OFDM.

GI

data	GI	data	GI	data	GI	data
Dữ liệu truyền

Có thể bạn quan tâm!

• Sự Trực Giao Trong Miền Thời Gian Của Tín Hiệu Ofdm
• Cải Thiện Hiệu Năng Hệ Thống Trên Cơ Sở Sử Dụng Mã Gray
• Ước Lượng Và Bù Khoảng Dịch Tần Số Foe
• Sự Sai Lệch Tần Số Sóng Mang Gây Ra Sự Mất Đồng Bộ
• Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA - 8
• Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA - 9

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

F

S C

Khung đồng bộ

Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC

Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau: S(t) SFSC (t) Sdata (t TFSC ) Trong đó, TFSC : Khoảng thời gian symbol FSC

(3.21)

Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi CA(n) của FSC

và khoảng bảo vệ GI và các mẫu dữ liệu không có GI đã qua FFT là:

s(n) C A (n)



n  1, 2, ..., CL

: FSC





sm (n) 

1 N 1

X m (k )e

j 2nk

N

k  0, 1, ..., N 1: data

(3.22)

N k 0

Trong đó, CL : Độ dài bit của FSC.

sm(n) : Chuỗi các mẫu của symbol OFDM thứ m trong miền thời gian khi không thêm GI.

xm(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m trong miền tần số.

N : Số sóng mang con.

Các mẫu CA(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là số bắt đầu khung

Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu,

s(n) C A (n) , với n = 1,2,… CL

được tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2),..., C( CL )} gồm các CL giá trị nhị phân. Đối với mã C(n) có giá trị "1", chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để tạo

ra tín hiệu 3 mức C A (n) . Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} thì

C A (n)

= {1, 0, 0,

-1, 1, -1, 0, 1}. Bằng cách này, ta có thể duy trì số giá trị '1' và '-1' bằng nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động.

Cấu trúc đồng bộ khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ nhận biết bit '0' hay '1', thanh ghi dịch CL, bộ cộng Modulo -2 được giảm bớt, bộ tổng, bộ nhận biết đỉnh.

Thuật toán đồng bộ khung symbol nhờ FSC gồm có 3 bước: Nhận biết FSC, xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung symbol.

Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC

Xác định mức ngưỡng Th1

Mức ngưỡng Th1 nhằm xác định ra những bit nhị phân ‘0’ và ‘1’ từ tín hiệu tương tự thu được. Đối với mỗi môi trường khác nhau thì ảnh hưởng của môi trường lên tín hiệu sẽ khác nhau và sự khác biệt giữa những tín hiệu mức cao và mức thấp sẽ ít hơn. Do đó, đối với mỗi môi trường thì mức ngưỡng Th1 sẽ khác nhau. Đối với môi trường càng tốt thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR càng cao, tín hiệu có chất lượng càng ổn định và sự phân biệt giữa những giá trị mức cao và mức thấp càng rõ rệt. Khi đó mức ngưỡng Th1 có thể chọn thấp hơn. Th1 phải tối ưu để sao cho không nhầm lẫn giữa nhiễu và tín hiệu mức cao. Để thu được một mức ngưỡng tối ưu trong môi trường đa đường là rất khó.

Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR

Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa giá trị ngưỡng tối ưu Th1 và tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Th1 có thể chọn càng nhỏ khi SNR càng cao. Theo lý thuyết, Th1 tối ưu có thể tính theo công thức:

Th I 1 (eP/)

(3.23)

4 2 2

1 2P 0

0

I 1 (.)

: Hàm ngược của Bessel bậc 0:

I 0 (.)





2 : Phương sai của các biến ngẫu nhiên Gaussian trong các kênh I và Q

P : Giá trị biên độ được định nghĩa trong tín hiệu

Đầu ra của bộ cộng modul có kết quả là ‘1’ nếu các bit giống nhau và là ‘-1’ nếu các bit khác nhau. Các giá trị này sẽ được tính tổng và đưa ra so sánh với mức ngưỡng Th2 để xác định chính xác FSC.

Xác định mức ngưỡng Th2

Giá trị tổng sau khi thực hiện ở bước trên sẽ được đem ra so sánh với mức ngưỡng Th2 để tìm ra vị trí chính xác của khung FSC. Qua bước tính tổng và xét cộng modul ở trên thì nếu khung đem ra so sánh với khung FSC đã biết trước mà giống nhau nhất thì giá trị tổng sẽ cao nhất. Việc của ta là phải đặt ra mức ngưỡng Th2 sao cho khi giá trị tổng kia vượt qua cái ngưỡng Th2 đó thì chắc chắn đó chính là khung FSC truyền ở phía phát. Đây gọi là sự nhận biết trượt. Nếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu ra của các vùng dữ liệu khác có thể ở trên Th2 và được xem như là FSC, tức là đã nhận biết nhiễu chính là FSC, gọi là xác suất dự phòng sai PF.

Chiều dài CL của khung FSC càng dài thì xác suất nhận biết trượt giảm, tức là khả năng nhận biết đúng tăng. Như vậy, thuật toán đồng bộ khung symbol có thể chọn chiều dài và kiểu FSC. Điều này phụ thuộc vào môi trường kênh và hiệu suất hệ thống. Khi môi trường kênh xấu, ta có thể mở rộng chiều dài và thay đổi các mức ngưỡng sao cho hợp lý.

3.4. ĐỒNG BỘ TẦN SỐ

Như chúng ta đã biết, kỹ thuật OFDM rất nhạy cảm với những sai lỗi về sự sai dịch tần số. Lỗi tần số ở đây là sự lệch tần số có nguyên nhân do sự sai khác giữa hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần do hiệu ứng Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hình sinc) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh phụ do mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Và các sóng mang con tự bị sai lệch tần số do môi trường tác động và cũng không còn đảm bảo tính trực giao và có một sự quay pha theo biến thời gian của tín hiệu nhận. Chúng ta có thể nhìn thấy điều này qua hình 3.11 bên dưới. Hình 3.11 chỉ ra sự khác biệt của 2 trường hợp:

- Giả sử lý tưởng không có sự sai khác tần số giữa bên phát và bên thu.

- Có sự sai khác tần số giữa bên phát và bên thu.

Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ

Một điều hiển nhiên là không thể có 2 bộ dao động ở phía phát và phía thu hoàn hảo giống hệt nhau nên chắc chắn sẽ có sự sai lệch trong việc lấy mẫu tín hiệu và gây ra sự sai lệch về tần số lấy mẫu. Do hệ thống thực hiện truyền thông qua môi trường vô tuyến, là môi trường có điều kiện xấu và bất ổn nhất nên chắc chắn các sóng mang