Chuyển Đổi Serial/parallel Và Parallel/serial

giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation).

Các khối ở phía máy thu OFDM thì thực hiện quá trình ngược lại với các khối ở máy phát.

2.4. CÁC KĨ THUẬT CƠ BẢN TRONG OFDM

2.4.1. Điều chế/giải điều chế

Trong hệ thống OFDM tín hiệu vào là luồng bit ở dạng nhị phân. Nên trong hệ thống OFDM là các quá trình điều chế số và có thể được chọn dựa trên yêu cầu công suất và hiệu suất sử dụng băng thông kênh.

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N bits (1, 2, 4, 6) khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.

Chẳng hạn: Khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q.

b0 b1 b2

I	b3 b4 b5	Q
000	-7	000	-7
001	-5	001	-5
011	-3	011	-3
010	-1	010	-1
110	1	110	1
111	3	111	3
101	5	101	5
100	7	100	7

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

 Kỹ thuật điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ điều này và để các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương QAM (điều chế biên độ vuông góc). Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ và pha. Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số.

Dạng tổng quát của điều chế QAM M trạng thái (M_QAM) được xác định như

S (t) 

2E0 a cos(2f t) 

2E0 b sin(2f t) ; 0 t T 

Trong đó:

T i c

chòm sao.

E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

ai, bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí kí tự trong

Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”.

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:

(t) 2 b sin(2f t) ; 0 t T 

1 T i c

(t) 2 a cos(2f t) ; 0 t T 

2 T i c

Hình 2.3: Chùm tín hiệu M_QAM

Dạng điều chế có thể được qui định bởi số trạng thái ngõ vào M và số phức ở

ngõ ra.

dn = an + jbn ; ( an và bn có thể được chọn như sau:

1=j)

Dạng điều chế	an , bn
2	BPSK	±1
4	QPSK	±1
16	16-QAM	±1, ±3
64	64-QAM	±1, ±3, ±5, ±7

2.4.2. Mã hóa kênh

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị tỷ số Eb/No, điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN.

Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính: mã khối (block coding) và mã chập (convolutional coding). Ngoài ra, người ta còn dùng mã hóa Trellis, đây là kiểu mã hóa xem như gần giống với mã hóa chập.

Với mã hóa khối: Luồng bit vào được chia thành những nhóm có k bit, mỗi nhóm được thêm vào những bit kiểm tra để tạo thành nhóm mới có n bit (n>k). Số bit kiểm tra thêm vào đây là (n-k) bit. Ví dụ: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã Reed Solomon.

Với mã chập: Đặc trưng bởi 3 thông số là (n, k, m), trong đó: n là số bit ra, k là số bit vào, m là số bit trước đó. Vậy n bit của từ mã ra không chỉ phụ thuộc vào k bit vào mà còn phụ thuộc vào (m-1)k bit thông tin trước đó (được gọi là các bit trạng thái). n bit ngõ ra được tạo ra bằng cách chập k bit ngõ vào với một đáp ứng xung nhị phân. Mã chập được xây dựng bởi mạch dãy. Tỷ số R=k/n được gọi là tỷ số mã, tổng số ô ghi dịch là ô.

Với mã Trellis: là một dạng của mã chập nhưng có thêm phần mã hóa. Sử dụng mã hóa Trellis sẽ cho hiệu quả tốt nhất ở phần sắp xếp (mapping) khi ta sử dụng mã hóa M-QAM với M khác nhau trên các sóng mang nhánh khác nhau. Bên thu có thể sử dụng thuật toán Viterbi. Viterbi là giải thuật giải mã hoá.

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh.

2.4.3. Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN (không có fading):

Cmax = B.log2 (1 + S/N) [b/s] Với: - B là băng thông của kênh truyền [Hz]

- S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song Serial/Parallel.

Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài :

k ×b Bit (k ≤ N) Với: - b là số bit trong mô hình điều chế số

- N số sóng mang,

k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng.

Hình 2.4: Bộ chuyển đổi S/P

Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.

Hình 2.5: Bộ chuyển đổi P/S

2.4.4. Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.

Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k), 0 ≤ k ≤ N-1 Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là: ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f; giả sử f0 = 0, suy ra: fk = k∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:



N 1

x (t) X (k)e j 2kft

k 0

, 0 t Ts

Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình trên được viết lại như sau:

x (n) x

(nT

N 1



) X (k)e j 2nkfTs / N

a a N s

k 0

Nếu thỏa mãn điều kiện

fTs

 1,

(f 1) , thì các sóng mang sẽ trực giao

x (n) x

(nT

N 1



) X (k)e j 2nkfTs / N

với nhau, lúc này, phương trình a

lại :

a N s

k 0

được viết



N 1

x (n) X (k )e j 2nk / N

k 0

N.IDFT{X(k)}

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có :

X * (k) DFT{x

N 1



(n)} xa

n0

(n)ej 2nk / N

N 1 N 1

X (m)e

1j 2n(mk ) / N

n0 m0

N 1

1X (m)ej 2n(mk ) / N

1X (m)N(m k )

m0

n0

m0



N 1

= X (m)(m k ) =

m0

X (k )

Ở đây, hàm (m k ) là hàm delta, được định nghĩa là:



(n) 1

0

khi khi

n  0

n  0

Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT.

2.4.5. Tiền tố lặp CP

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau. Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự).

Ta có : Ts = Tg + TFFT

kí tự i-1 kí tự i kí tự i+1

Hình 2.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM Ký tự OFDM lúc này có dạng:

x(n N )

n ,1,...

,1

xT (n) 



x(n)

n  0,

1,...

, N 1

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ISI, ICI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect) - tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau.

Hình 2.7: Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường

Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường:

h(t) Ak (t Tk )

k 1

Với: Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k

Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời

gian

m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.