KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA
Giới thiệu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật truyền thông tin đa sóng mang xuất hiện từ những năm 1960, cho phép truyền tốc độ cao (hàng Mbps) qua cáp đồng thông thường Kỹ thuật này lần đầu tiên được giới thiệu bởi R.W Chang vào năm 1966, nhằm giải quyết vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế qua nhiều kênh con Mặc dù đã được đề cập từ lâu, OFDM chỉ mới được chú ý gần đây nhờ vào những tiến bộ trong xử lý tín hiệu và vi điện tử Hiện nay, OFDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao, bao gồm ADSL, HDSL, VDSL, phát thanh số DAB, truyền hình số DVB-T và mạng LAN không dây.
OFDM đang là ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động 4G.
Nguyên lý cơ bản của OFDM
Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song với tốc độ thấp hơn (R/N) N chuỗi con này được điều chế bằng N sóng mang phụ trực giao, sau đó được cộng lại và phát lên kênh truyền đồng thời Quá trình thu tín hiệu diễn ra ngược lại.
Bản chất trực giao của sóng mang phụ OFDM cho phép các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn tách biệt được tại phía thu Điều này không chỉ tăng hiệu quả sử dụng băng tần mà còn giảm thiểu nhiễu giữa các sóng mang lân cận (ICI).
Chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con tốc độ thấp, dẫn đến tốc độ ký hiệu của các chuỗi con giảm đáng kể so với chuỗi ban đầu Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự (ISI) và hiệu ứng trễ, từ đó giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu.
Hình 1.1 Sơ đồ quá trình phát tin
1.2.1 Sự trực giao trong OFDM
Các tín hiệu được coi là trực giao khi chúng độc lập với nhau, cho phép truyền và thu nhiều tín hiệu thông tin trên cùng một kênh mà không bị nhiễu Tính chất trực giao giúp đảm bảo rằng các tín hiệu không gây ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình truyền tải.
Trong OFDM, nhiều sóng mang con có thể chồng lấn mà không gây ra nhiễu giữa các sóng mang kế cận nhờ vào tính trực giao của chúng Tính trực giao này được thể hiện rõ trong miền thời gian, cho phép khôi phục tín hiệu một cách hiệu quả.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập hợp các sóng mang trực giao Tần số gốc của từng sóng mang con được xác định bằng một số nguyên lần nghịch đảo của thời gian tồn tại của symbol Nhờ vào cấu trúc này, OFDM có khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả trong các môi trường khác nhau.
Dữ liệu Dữ liệu 2 Dữ liệu tổng Tin
Bộ phận ch uyển đổ i nố i tiếp/song s ong Σ
Bộ điều chế Chèn chuỗi bảo vệ tại symbol cho phép mỗi sóng mang có số nguyên lần chu kỳ khác nhau, dẫn đến mỗi sóng mang con sở hữu tần số riêng biệt Mặc dù phổ tần số của chúng có sự chồng lấn, nhưng chúng không gây nhiễu cho nhau.
Hình 1.2 mô tả cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang thành phần
Hình 1.2 Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM
(1a), (2a), (3a), (4a) mô tả miền thời gian của các sóng mang đơn tần với số chu kỳ tương ứng là 1,2,3,4
(1b), (2b), (3b), (4b) mô tả biến đổi FFT của hình a tương ứng
(5a), (5b) mô tả tổng của 4 sóng mang thành phần
Một tập các tín hiệu sẽ trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kì trong tập đó thỏa mãn điều kiện:
Với * là ký hiệu của liên hợp phức, Ts là chu kỳ ký hiệu
Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng:
với k = 0,…, N-1 (1.2) b Trực giao trong miền tần số
Trong miền tần số, sóng mang con có dạng sinc (sin cardinal), được biểu diễn dưới dạng sin(x)/x Dạng sinc này có một búp chính và nhiều búp phụ, với giá trị giảm dần về phía hai tần số trung tâm của sóng mang con Mỗi sóng mang con đạt giá trị đỉnh tại tần số trung tâm bằng 0, và cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f = 1/Ts).
Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM
Hình 1.3 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con
Trong đó, (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b) là đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang con
Tính trực giao được thể hiện là tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0
1.2.2 Thu phát tín hiệu OFDM a Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM
Theo sơ đồ hình 1.4 ta có nguyên lý làm việc của hệ thống OFDM như sau:
Hình 1.4 Sơ đồ khối thu phát OFDM
Tại máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành nhiều chuỗi dữ liệu tốc độ thấp hơn thông qua bộ chuyển đổi S/P Sau khi các chuỗi dữ liệu song song được điều chế vào các sóng mang con, chúng sẽ trải qua phép biến đổi Fourier để tạo ra sự trực giao giữa các sóng mang.
Chuyển đổi song song thành nối tiếp
Giải điều chế sóng mang con
Loại bỏ khoảng bảo vệ
Khuyếch đại công suất và giải điều chế sóng mang cao tần
Dữ liệu nối tiếp Đồng bộ định thời
Chuyển đổi nối tiếp thành song song Điều chế sóng mang con
Chèn khoảng bảo vệ IFFT Điều chế sóng mang cao tần và khuyếch đại công suất
Chèn từ đồng bộ khung
Máy phát sử dụng sự trực giao giữa các sóng mang, trong đó các sóng mang con được chuyển vào bộ biến đổi IFFT Bộ này thực hiện tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Để giảm thiểu sự nhiễu tín hiệu ISI khi truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường, một khoảng bảo vệ được chèn vào Cuối cùng, bộ lọc phía phát sẽ định dạng tín hiệu thời gian liên tục và chuyển đổi lên tần số cao để thực hiện việc truyền tải hiệu quả trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN
Tại máy thu, tín hiệu OFDM từ anten được hạ tần số và xử lý qua bộ lọc thu, sau đó khoảng bảo vệ được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Tùy thuộc vào sơ đồ điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng mang sẽ được điều chỉnh bởi bộ cân bằng kênh Các ký tự hỗn hợp sau đó được sắp xếp lại và giải mã, dẫn đến việc tái tạo chuỗi dữ liệu nối tiếp ban đầu Việc sử dụng FFT và IFFT trong OFDM đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang cho phép truyền dữ liệu song song qua nhiều sóng mang phụ, giúp tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu nhiễu giữa các ký tự Tuy nhiên, việc yêu cầu mỗi sóng mang cần một máy phát sóng sin và bộ điều chế riêng là một thách thức lớn khi số lượng sóng mang phụ tăng cao Để khắc phục vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT đóng vai trò như một giải pháp thay thế cho hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế, giúp đơn giản hóa thiết kế hệ thống.
Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1,2,…, N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là:
Công thức phép biến đổi IDFT là:
Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn Từ công thức (1.3), (1.4) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm:
+ Thời gian phép nhân phức
+ Thời gian thực hiện phép cộng phức
+ Thời gian đọc các hệ số e j N
+ Thời gian truyền số liệu
Để giảm thời gian tính toán DFT, cần tập trung vào việc rút ngắn thời gian thực hiện phép nhân phức, vì thời gian này tỉ lệ thuận với số phép nhân Sử dụng thuật toán FFT là giải pháp hiệu quả để giảm số lượng phép tính, trong khi tính trực tiếp yêu cầu N² phép nhân, thì với FFT, số phép nhân chỉ còn lại rất ít.
2 Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là
Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
OFDM là một giải pháp kỹ thuật lý tưởng cho việc truyền dẫn vô tuyến với tốc độ cao Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả vào các hệ thống, cần giải quyết ba vấn đề chính khi triển khai hệ thống sử dụng OFDM.
+ Ước lượng tham số kênh
Giảm tỷ số công suất tương đối cực đại PARP là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao chất lượng hệ thống OFDM Tham số kênh có liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu này, đặc biệt khi áp dụng phương pháp giải điều chế liên kết và đồng bộ sóng mang Việc giảm PARP giúp xử lý các nhược điểm của OFDM, đồng thời mã hóa tín hiệu OFDM cũng được sử dụng để cải thiện chất lượng hệ thống.
1.3.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng tham số kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (Coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-pilot signal assisted Modulation) Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng Khi sử dụng PSAM có hai vấn đề được quan tâm:
Khi lựa chọn tín hiệu pilot, cần đảm bảo yêu cầu chống nhiễu và hạn chế tổn hao năng lượng cũng như băng thông Hệ thống OFDM cho phép lựa chọn tín hiệu pilot dựa trên giản đồ thời gian – tần số, mang lại khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang Sự lựa chọn tín hiệu pilot có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu của hệ thống.
Khi thiết kế bộ ước lượng kênh, cần cân nhắc giữa độ phức tạp của thiết bị và độ chính xác yêu cầu Tốc độ thông tin cao, tức là thời gian xử lý ngắn, và các chỉ tiêu hệ thống thường mâu thuẫn với nhau Do đó, việc dung hòa hai yêu cầu này là rất quan trọng trong quá trình thiết kế.
1.3.2 Đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là đồng bộ ký tự (Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (Carrier frequency synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling frequency synchronization) a Đồng bộ ký tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (Timing error) và nhiễu pha sóng mang (Carrier phase noise)
Lỗi thời gian trong hệ thống OFDM có thể gây ra sai lệch thời điểm bắt đầu ký tự, ảnh hưởng đến sự trực giao giữa các sóng mang Nếu lỗi thời gian nhỏ hơn chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP), hệ thống vẫn duy trì tính trực giao và thời gian trễ được coi là độ dịch pha của kênh truyền, có thể xác định qua kỹ thuật ước lượng kênh Ngược lại, khi chiều dài CP nhỏ hơn lỗi thời gian, cần áp dụng đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu Pilot và tiền tố lặp để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho hệ thống OFDM với kỹ thuật điều tần Bên phát mã hóa tín hiệu đã biết về pha và biên độ trên sóng mang phụ, và phương pháp này cũng được điều chỉnh cho hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot bao gồm ba bước: nhận biết công suất, đồng bộ thô và đồng bộ tinh.
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang, xảy ra do sự bất ổn định của bộ tạo dao động ở cả bên phát và bên thu Đồng bộ tần số sóng mang là một yếu tố quan trọng trong việc giảm thiểu nhiễu này.
Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số
Lỗi tần số xảy ra khi có sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tạo dao động phát và thu, thường do hiệu ứng Doppler hoặc nhiễu pha trong kênh truyền không tuyến tính Hai tác động chính của lỗi tần số là suy giảm biên độ tín hiệu thu được, do tín hiệu không được lấy mẫu đúng tại đỉnh sóng, và sự xuất hiện của nhiễu xuyên kênh ICI, khi các sóng mang mất tính trực giao.
Để ước lượng tần số, có thể áp dụng kỹ thuật đồng bộ tần số tương tự như đồng bộ ký tự, sử dụng tín hiệu pilot hoặc tiền tố lặp Trong phương pháp sử dụng tín hiệu pilot, sóng mang được dùng để truyền tín hiệu pilot, thường là các chuỗi giả nhiễu, giúp ước lượng độ quay pha do lỗi tần số Để nâng cao độ chính xác của bộ ước lượng, các vòng khoá pha (Phase Lock Loop – PPL) được sử dụng.
Tín hiệu thu được tại bên thu thường bị bất đồng bộ với đồng hồ bên phát do việc lấy mẫu theo thời gian Để khắc phục tình trạng này, có hai phương pháp chính: đầu tiên là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), và thứ hai là phương pháp lấy mẫu không đồng bộ, trong đó tần số lấy mẫu được giữ nguyên nhưng tín hiệu sẽ được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.
1.3.3 Giảm PARP (Peak to Average Power Ratio)
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PARP) là một trong những hạn chế chính của tín hiệu OFDM Khi tỷ số này cao, hiệu suất của bộ khuếch đại công suất giảm do phải dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến Do đó, việc giảm PARP trở thành yêu cầu quan trọng trong các hệ thống sử dụng OFDM.
PARP của một ký tự OFDM được định nghĩa là tỷ lệ giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trong miền thời gian và giá trị trung bình bình phương của mẫu đó.
PARP thể hiện dải biên độ của các mẫu từ máy phát tín hiệu OFDM, phản ánh khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu Đối với hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK), các ký tự chỉ khác nhau về pha và có độ lớn bằng nhau, do đó PARP bằng 1 Trong khi đó, với hệ thống 16QAM, PARP đạt giá trị 1.8.
Có hai phương pháp giảm PARP chính:
+ Đưa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM
+ Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PARP thấp.
Kỹ thuật điều chế OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào được biểu diễn dưới dạng bit nhị phân, điều này dẫn đến việc sử dụng các quá trình điều chế số Việc chọn lựa phương pháp điều chế trong OFDM có thể dựa trên các yêu cầu cụ thể hoặc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng băng thông kênh.
Dạng điều chế được xác định bởi số bit ngõ vào M và số phức d n = an + bn ở ngõ ra Các ký tự an, bn có thể được lựa chọn từ tập {±1, ±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
Bảng 1.1 Các dạng điều chế trong OFDM
Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s 1 (t) và s2(t) sử dụng để biểu diễn các ký hiệu cơ số hai là “0” và “1” [2]
Trong đó, T b : Độ rộng tăng bit
Eb: Năng lượng của 1 bit
(t): Góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế
: Góc pha ban đầu có giá tri không đổi từ 0 đến 2 và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0 i = 1: tương ứng với symbol 0
M Dạng điều chế an, bn
64 64 – QAM ±1, ±3, ±5, ±±7 i = 2: tương ứng với symbol 1 Mỗi cặp sóng mang hình sin đối pha 180 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực
Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2): S 1 E b , S 2 E b như hình 1.5
Khi tín hiệu BPSK trải qua kênh bị nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit trong quá trình giải điều chế có thể được tính toán thông qua một công thức cụ thể.
Trong đó, Eb: Năng lượng bit
N0: Mật độ nhiễu trắng cộng
1.4.2 Điều chế QPSK Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau: [2]
Hình 1.5 Biểuđồ không gian tín hiệu BPSK
T t (1.10) Với pha ban đầu ta cho bằng 0
Trong đó, i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự phát đi là “00”, “01”, “11”,
T = 2.T b (T b : Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự) E: Năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:
Bảng 1.2 Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ các điểm tín hiệu điều chế
QPSK trong tín hiệu không gian
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian được cho trong bảng 1.2
Trong bảng, mức "1" thay đổi theo E, trong khi mức logic "0" cũng biến đổi theo E Khi phát đi một ký hiệu cùng lúc, luồng vào cần được phân chia thành hai phần tương ứng, sau đó được biến đổi mức và nhân với hàm trực giao tương ứng.
Hình 1.6 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu
Tọa độ các điểm bản tin
Ta thấy 1 tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình 1.6
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha kết hợp tạo ra tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, khi tách rời chúng để hoạt động độc lập, ta có sơ đồ điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) Sơ đồ này cho phép sóng mang được điều chế cả về biên độ lẫn pha, mang lại ưu điểm nổi bật là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng số tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:
E0 : Năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
, a i b i : Cặp số nguyên độc lập được tùy chọn theo vị trí bản tin
Tín hiệu sóng mang được tạo thành từ hai thành phần vuông góc, được điều chế bởi một tập hợp các bản tin tín hiệu rời rạc, do đó còn được gọi là “điều chế tín hiệu vuông góc”.
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:
Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) trong sơ đồ điều chế thể hiện vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu Mỗi liên hợp từ dữ liệu cần được phân phối một vector IQ riêng biệt.
Mã Gray là phương pháp phân phối giúp các điểm cạnh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn, từ đó giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ Phương pháp này làm giảm khả năng xảy ra nhiều lỗi bit do chỉ một lỗi symbol đơn.
Hình 1.8 Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn
Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK, PSK, 16PSK) và QAM (16-QAM, 64QAM, 256QAM…)
Dung lượng của hệ thống truyền dẫn OFDM
Một trong các mục tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lượng
Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống và trình bày công thức để xác định những yếu tố này.
1.5.1 Dung lượng kênh theo Shannon
Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu được xác định bằng công thức sau:
Dung lượng kênh (C) và băng thông (B) là hai yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa chất lượng truyền dẫn Điều chế thích ứng cho phép điều chỉnh các thông số điều chế dựa trên trạng thái kênh, nhằm đạt được dung lượng kênh tối ưu mà không ảnh hưởng đến chất lượng truyền tải Do đó, việc tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh tại thời điểm xét là rất cần thiết.
1.5.2 Dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM
Ta thấy rõ mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng đến dung lượng truyền dẫn
Trong các hệ thống OFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kỳ nên có nhiều thông số quyết định dung lượng hơn
Trong trường hợp đơn giản với giả thiết các sóng mang con giống nhau, tức là tất cả các sóng mang con đều có chung cấu hình về điều chế, mã hóa, băng thông và công suất, tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Tỷ lệ mã R c, mức điều chế M, số sóng mang con N sub, thời gian ký hiệu T sym, và độ rộng băng tần B của tín hiệu thông tin là các yếu tố quan trọng trong việc xác định tốc độ bit tổng Thời gian FFT TFFT và khoảng cách sóng mang con ∆f = 1/TFFT, cùng với tỷ số thời gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM (FSR), đều ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải dữ liệu Tốc độ bit tổng được tính toán bằng công thức: R c * M * N sub / T sym * R * M * B / f * T.
Từ công thức (1.20), có thể thấy rằng tốc độ bit của sóng mang con phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: tỷ lệ mã, mức điều chế, độ rộng băng và FSR Trong hệ thống OFDM, việc điều chỉnh các thông số này là cần thiết để tối ưu hóa tốc độ bit, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) phù hợp với điều kiện kênh tại thời điểm cụ thể.
Các đặc tính của OFDM
Kỹ thuật giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ S/P, chèn bit bảo vệ và sử dụng các sóng mang phụ trực giao nhau giúp giảm thiểu can nhiễu ký tự ISI và xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
(số bit/sóng mang con/ký hiệu) x số sóng mang con
Rtb = [bps] (1.19) Thời gian ký hiệu
OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con
Các hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) có khả năng chống chịu fading tốt hơn so với các hệ thống sóng mang đơn Điều này nhờ vào việc phân chia kênh thông tin thành nhiều kênh con, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong môi trường có fading phẳng băng hẹp.
OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu hơn so với hệ thống đơn sóng mang
Sử dụng thuật toán FFT và IFFT làm cho điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả và các bộ ADC, DAC đơn giản
OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung và nhiễu xuyên kết hợp
Hệ thống OFDM dễ bị ảnh hưởng bởi dịch tần và pha hơn so với hệ thống đơn sóng mang, do đó, vấn đề đồng bộ tần số trong OFDM phức tạp hơn Tần số của sóng mang có thể gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao, dẫn đến nhiễu liên kênh và làm giảm hiệu suất của bộ giải điều chế Do đó, việc đồng bộ tần số là một nhiệm vụ quan trọng trong bộ thu OFDM.
Hệ thống OFDM phát tín hiệu qua nhiều sóng mang, với dải động tín hiệu lớn dẫn đến công suất cực đại PARP cao, điều này gây hạn chế cho hoạt động của bộ khuếch đại công suất.
Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
1.7.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM a Sự suy giảm tín hiệu
Sự suy giảm tín hiệu xảy ra khi công suất tín hiệu bị hao hụt khi truyền từ điểm này đến điểm khác, thường do khoảng cách dài, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường Để giảm thiểu tác động của những yếu tố này, các thiết bị phát thường được đặt ở vị trí cao hơn nhằm hạn chế số lượng vật cản Các vùng tạo bóng có diện tích lớn và tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm, do đó hiện tượng này còn được gọi là fading chậm Bên cạnh đó, fading lựa chọn tần số cũng là một vấn đề cần lưu ý trong truyền dẫn tín hiệu.
Trong truyền dẫn vô tuyến, phản xạ sóng gây ra đáp ứng phổ không bằng phẳng, dẫn đến tín hiệu đa đường tương tự như tín hiệu trực tiếp Hiện tượng này có thể làm suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu Nếu không có đáp ứng tần số phù hợp trên kênh truyền, toàn bộ tín hiệu có thể bị mất, đặc biệt trong các đường truyền băng hẹp Rayleigh fading là một hiện tượng quan trọng trong bối cảnh này.
Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ bởi các vật cản như đồi, nhà cửa và xe cộ, tạo ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu Hiện tượng này, gọi là hiệu ứng đa đường, dẫn đến sự lệch pha giữa các tín hiệu, làm giảm biên độ tín hiệu thu.
Trong môi trường đa đường, tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sự thay đổi pha của các thành phần tín hiệu Sự thay đổi pha xảy ra khi các thành phần tín hiệu đến máy thu vào những thời điểm khác nhau, dẫn đến hiện tượng trễ lan truyền Trễ lan truyền này gây ra sự xoay pha của tín hiệu, ảnh hưởng đến chất lượng thu nhận.
Fading Rayleigh là hiện tượng suy hao tín hiệu do sự giao thoa giữa các sóng thu được, gây ra sự thay đổi công suất tín hiệu khi bộ thu di chuyển Sự thay đổi pha giữa các thành phần đa đường dẫn đến sự biến động trong giao thoa, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu nhận được Phân bố Rayleigh thường được áp dụng để mô tả sự biến đổi theo thời gian của công suất tín hiệu.
Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất đồng đều trong băng thông và tuân theo phân bố Gaussian, với nhiễu Gaussian được xem là nhiễu cộng Nhiễu nhiệt, do chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra, là một dạng nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng ảnh hưởng đến kênh truyền dẫn Trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ lớn, các thành phần nhiễu khác cũng được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con, vì các loại nhiễu này thỏa mãn điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Tín hiệu vô tuyến từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như tòa nhà và đồi núi Tín hiệu phản xạ đến máy thu với thời gian chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do khoảng cách truyền lớn hơn Thời gian trễ là khoảng thời gian giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến máy thu.
Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI, khi tín hiệu chồng lấn lên các ký tự lân cận Nhiễu này gia tăng theo tốc độ tín hiệu, với hiệu ứng bắt đầu rõ rệt khi trải trễ vượt quá 50% chu kỳ bit.
Trong kỹ thuật OFDM, việc giảm tốc độ tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi S/P dẫn đến việc tăng chu kỳ tín hiệu, từ đó giúp giảm thiểu nhiễu ISI do hiện tượng trải trễ.
Khi bộ phát và bộ thu di chuyển tương đối, tần số tín hiệu thu được sẽ khác so với tần số phát Cụ thể, nếu chúng di chuyển cùng chiều, tần số nhận được sẽ cao hơn tần số phát, trong khi nếu di chuyển ra xa nhau, tần số thu được sẽ giảm Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler.
Thành phần ISI trong truyền tín hiệu OFDM có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện xử lý tín hiệu, dẫn đến việc máy thu không nhận được thông tin của symbol tiếp theo Để xác định chính xác symbol OFDM, máy thu cần một khoảng thời gian nhất định, tương đương với thời gian của symbol có ích, được gọi là Khoảng Thời gian Đối xứng (Orthogonality Interval).
OFDM là một kỹ thuật hiệu quả để xử lý vấn đề trải trễ đa đường (Multpath delay spread) Kỹ thuật này chia luồng dữ liệu thành N luồng song song, điều chế trên các sóng mang phụ, giúp tăng chu kỳ của một symbol.
N lần, do đó sẽ làm giảm tỷ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống N lần
Để loại bỏ ISI một cách hiệu quả, cần chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol Dải bảo vệ này là một phần bản sao của chính symbol, có thể là phần đầu, phần cuối hoặc cả hai.
Việc chèn thêm khoảng bảo vệ vào symbol giúp tăng thời gian truyền, từ đó nâng cao khả năng chịu đựng ISI Mỗi sóng mang con chứa một phần thông tin của symbol, và việc sử dụng một phần symbol làm dải bảo vệ giúp duy trì quá trình truyền dẫn liên tục, không có sự ngắt quãng Dải bảo vệ này còn có tác dụng giảm thiểu lỗi do sự xê dịch thời gian ở máy thu.
1.7.3 Giới hạn băng thông của OFDM
Tín hiệu OFDM trong miền thời gian bao gồm nhiều sóng mang con dạng sin đã được điều chế, mỗi sóng được giới hạn trong một cửa sổ thời gian hình chữ nhật Cửa sổ này không chỉ xác định từng ký hiệu OFDM mà còn ảnh hưởng đến đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM được tạo ra Việc lọc băng thông là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG
Giới thiệu chương
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, dải băng tần luôn bị giới hạn, do đó việc chia sẻ kênh truyền cho nhiều người sử dụng đồng thời là cần thiết Các kỹ thuật đa truy nhập như FDMA, TDMA và CDMA đã ra đời để đáp ứng nhu cầu này CDMA, dựa trên nguyên lý trải phổ, đã chứng tỏ ưu thế vượt trội so với các kỹ thuật khác Chương này sẽ giới thiệu nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ trong CDMA, máy thu Rake và các đặc điểm của MC-CDMA, bao gồm nguyên lý hoạt động, cấu trúc máy phát và máy thu, cũng như ưu nhược điểm của hệ thống thông tin di động sử dụng MC-CDMA.
Giới thiệu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã
Kỹ thuật trải phổ được phát triển nhằm bảo mật thông tin trong quân sự, với mục tiêu làm cho tín hiệu phát ra giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn Điều này khiến cho việc tách và lấy thông tin từ tín hiệu trở nên khó khăn hơn Để thực hiện việc này, mã ngẫu nhiên được sử dụng để mã hóa bản tin, nhưng máy thu chủ định cần phải biết mã này để có thể tái tạo chính xác và đồng bộ với tín hiệu phát ra, từ đó thu hồi được bản tin.
Mã giả ngẫu nhiên được thiết kế với độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với bản tin gốc Quá trình mã hóa đảm bảo rằng tín hiệu sau khi mã hóa có độ rộng phổ gần bằng với tín hiệu giả ngẫu nhiên Quy trình này được gọi là "quá trình trải phổ" Tại máy thu, tín hiệu thu được sẽ được nén phổ để khôi phục độ rộng phổ trở lại như ban đầu của bản tin.
Một hệ thống thông tin được coi là trải phổ khi nó đáp ứng hai điều kiện chính: băng thông tín hiệu trải phổ phải lớn hơn đáng kể so với băng thông tín hiệu thông tin, và mã sử dụng để trải phổ phải độc lập với tín hiệu thông tin.
Kỹ thuật trải phổ có một số ưu điểm:
Khả năng đa truy nhập cho phép nhiều người dùng hoạt động đồng thời trên cùng một dải tần mà máy thu vẫn có thể tách riêng tín hiệu cần thu Mỗi người dùng được cấp một mã trải phổ riêng biệt, giúp máy thu giải mã và phân tách tín hiệu mong muốn từ nhiều nguồn khác nhau.
Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần mức nhiễu nền, giúp tăng cường tính bảo mật thông tin Điều này khiến cho các máy thu không mong muốn khó phát hiện được tin tức đang được truyền Chỉ những máy thu nắm rõ quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có khả năng nhận diện và thu thập thông tin.
Bảo vệ chống nhiễu đa đường là rất quan trọng trong truyền thông vô tuyến, bởi nhiễu đa đường phát sinh từ sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của tín hiệu Các tín hiệu này, mặc dù là bản sao của tín hiệu gốc, nhưng lại bị suy hao về biên độ và trễ so với tín hiệu truyền thẳng, dẫn đến sai lệch khi thu nhận Để khắc phục tình trạng này, việc áp dụng kỹ thuật trải phổ là hiệu quả, nhờ vào khả năng tận dụng tính chất tự tương quan của tín hiệu.
Các kỹ thuật trải phổ bao gồm ba phương pháp cơ bản sau:
Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS) thực hiện quá trình trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên Tín hiệu giả này có tốc độ chip cao hơn nhiều so với tốc độ bit, giúp tăng cường khả năng truyền tải và bảo mật thông tin.
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FHSS) là một hệ thống thực hiện việc trải phổ thông qua việc nhảy giữa các tần số mang trong một tập hợp các tần số.
Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên Tần số trong khoảng thời gian một chip
Tần số Tc được cố định, trong khi tốc độ nhảy tần có thể thay đổi nhanh hoặc chậm Ở hệ thống nhảy tần nhanh, tốc độ nhảy tần cao hơn tốc độ bit của bản tin, ngược lại, trong hệ thống nhảy tần thấp, tốc độ nhảy tần chậm hơn.
Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (THSS) cho phép thực hiện trải phổ thông qua việc nén một khối dữ liệu và phát ngắt quảng trong các khe thời gian Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung Một trong những phương pháp phổ biến trong kỹ thuật này là trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS).
Tín hiệu truyền đi được mã hóa dưới dạng lưỡng cực và được nhân với chuỗi mã giả ngẫu nhiên Tại máy thu, tín hiệu nhận được sẽ được nhân tiếp với chuỗi trải phổ để tái tạo lại tín hiệu tin tức ban đầu.
Tín hiệu cần truyền đi là d(t) với dạng NRZ, có giá trị ±1 và tốc độ bit fb Để thực hiện truyền tín hiệu, chúng ta nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc, trong đó fc lớn hơn fb Kết quả của quá trình này là tín hiệu d(t).c(t).
Bộ điều chế băng rộng d(t)
Bộ giải điều chế dữ liệu
Hình 2.1: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS
Vì tốc độ bit f c của chuỗi giả ngẫu nhiên vượt xa tốc độ bit fb của chuỗi tín hiệu truyền, tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao, được gọi là tốc độ chip Chuỗi tích số d(t).c(t) sau đó được điều chế bằng BPSK hoặc QPSK Giả sử sử dụng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế sẽ có biểu thức cụ thể.
VDS-SS(t) = 2 P S d ( t ) c ( t ) cos w 0 t (2.2) Trong đó,
PS: công suất phát [W] w0: tần số sóng mang [rad/s]
Nếu so sánh (2.2) với biểu thức của BPSK:
Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn nhiều so với tín hiệu VBPSK với tốc độ bit fb Do đó, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ V DS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ V BPSK Nếu fc đủ lớn, mật độ này sẽ rất thấp và bị xen lẫn với mức nhiễu, gây khó khăn cho các máy thu thông thường trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức.
Tại máy thu, tín hiệu V DS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên c r (t) tái tạo, sau đó thực hiện giải điều chế BPSK để thu hồi tín hiệu tin tức ban đầu.
Hình 2.2 Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ Ưu điểm:
+ Có khả năng thực hiện đa truy cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát
+ Việc tạo ra các tín hiệu mã hóa tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ nhân
+ Việc tổng hợp tần số đơn giản do chỉ cần tạo một sóng mang
+ Cặp máy phát - máy thu phải được đồng bộ chip Để thu đúng, sai số đồng bộ phải nhỏ hơn khoảng T chip
Giới thiệu về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân
MC – CDMA là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì
MC-CDMA là công nghệ truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, cho phép phát tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao trong miền tần số.
Năm 1993, sự kết hợp giữa kỹ thuật CDMA và OFDM đã dẫn đến sự phát triển của ba mô hình đa truy cập mới, trong đó có Multicarrier MC – CDMA.
Multicarrier DS – CDMA và Multitone MT – CDMA được gọi chung bằng một thuật ngữ Multicarrier CDMA (MC – CDMA)
Các mô hình này kế thừa ưu điểm của CDMA và OFDM, cho phép truyền tốc độ cao và bền vững trước fading chọn lọc tần số Chúng sử dụng băng thông hiệu quả, đảm bảo tính bảo mật cao và giảm thiểu độ phức tạp của hệ thống.
2.3.1 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA
Tín hiệu MC – CDMA cơ bản được tạo ra bằng cách ghép nối tiếp hai hệ thống DS – CDMA và OFDM như hình 2.12
Mỗi user cung cấp cho một chuỗi xác định thuộc tập mã trực giao (DS
– CDMA), sau đó dữ liệu của tất cả user được phát song song trên cùng một tập sóng mang phụ trực giao (OFDM)
Hình 2.12 Sơ đồ khối máy phát MC – CDMA
Tại máy thu MC – CDMA, tín hiệu thu được sẽ được nhân với các sóng mang phụ trực giao, sau đó trải qua quá trình giải điều chế số, cuối cùng kết hợp thành một luồng dữ liệu nối tiếp.
Tại đây, để thu được dữ liệu của user thứ k, ta nén phổ luồng dữ liệu nối tiếp vừa thu được bằng chuỗi mã trải của user k
Theo sơ đồ 2.14, luồng dữ liệu vào với tốc độ cao được chia thành P luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp hơn Mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ bằng các chuỗi mã ngẫu nhiên PN và sau đó được điều chế bằng hệ thống đa sóng mang OFDM Tín hiệu này được đưa vào bộ chuyển đổi P/S, nơi tổng hợp P luồng dữ liệu thành một luồng dữ liệu duy nhất và chèn khoảng dự phòng vào tín hiệu d (0) S 0.
S eria l – to – pa ra ll el OFDM
Inve rse OFDM P ara ll el - to -se ri al conve er te r
Detector đơn hoặc đa người dùng sẽ phát tín hiệu qua kênh truyền, nhưng tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Tại máy thu, tín hiệu từ kênh truyền được nhận và quá trình phát được thực hiện ngược lại, cho phép chúng ta thu được tín hiệu ban đầu.
Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống MC – CDMA a Máy phát
Máy phát MC – CDMA sử dụng mã trải để trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số Mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải, được điều chế bằng các sóng mang phụ khác nhau Để đảm bảo truyền đa sóng mang đạt được fađing không chọn lọc tần số, tín hiệu gốc cần có tốc độ đủ cao Nếu tín hiệu gốc gặp fađing chọn lọc tần số, cần chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trước khi trải phổ trong miền tần số.
Sơ đồ máy phát MC – CDMA cho người dùng thứ k được vẽ như trên hình 2.15 Quá trình tạo ra tín hiệu MC – CDMA theo thứ tự sau:
- Chuỗi dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK tạo ra các ký tự phức ak
- Luồng thông tin này được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i), ak,1(i), …, ak, P-1(i)), trong đó i ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I
Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (d k (0), dk(1), …d k (KMC-1)) có chiều dài KMC, tạo ra tổng số N=P.K MC ký tự mới, tương ứng với tổng số sóng mang phụ Ví dụ, tại nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự hiện tại sẽ được xác định như sau:
Hình 2.15 Sơ đồ máy phát của hệ thống MC – CDMA
- Do sự tương quan giữa các ký tự trên mỗi nhánh con của hệ thống
MC-CDMA và hệ thống OFDM cho phép thực hiện điều chế sóng đa mang tại băng tần gốc thông qua phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT) Tín hiệu từ các nhánh P sau đó được tổng hợp lại để tạo thành tín hiệu cuối cùng.
Khoảng dự phòng (quard interval) được chèn dưới dạng tiền tố vòng (CP) giữa các ký tự nhằm ngăn chặn hiện tượng ISI do fading đa đường Cuối cùng, tín hiệu sẽ được phát trên kênh truyền sau khi được đổi tần lên RF.
Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau:
Trong đó, dk(0), dk(1), …dk(KMC-1) là mã trải phổ với chiều dài KMC
T ’ s là khoảng ký hiệu trên mỗi sóng mang phụ
f ' là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sóng mang phụ Β là hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng (0
Ps(t) là dạng xung vuông được định nghĩa:
Băng thông của tín hiệu phát được tính như sau:
Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một công việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn
Giả sử hệ thống MC – CDMA có K người dùng đang truy cập, tín hiệu băng gốc nhận được có dạng: rMC(t) =
, ( t z m k p : đường bao phức thu được tại sóng mang phụ thứ (mP+p) của người sử dụng thứ k h k (t,τ): đáp ứng xung của kênh truyền ứng với người dùng thứ k có dạng:
Với t và τ lần lượt là thời gian và độ trễ, a i (t) và δi(t) là biên độ thực và biên độ trễ quá của thành phần đa đường thứ i tại thời điểm t Pha 2 thể hiện độ lệch pha do sự lan truyền trong không gian tự do của thành phần đa đường thứ i, cộng với bất kỳ độ dịch pha nào gặp phải trên đường truyền n(t) là nhiễu Gaussian trắng (AWGN) với giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ công suất hai phía là N0/2.
Bộ thu MC – CDMA yêu cầu việc tách sóng được thực hiện đồng bộ để thao tác giải trải phổ thành công
Hình 2.16 Máy thu MC – CDMA Hình 2.16 biểu diễn bộ thu MC – CDMA cho người sử dụng thứ k Quá trình tách sóng tại máy thu theo thứ tự sau:
Sau khi thực hiện đổi tần và thử nghiệm với khoảng dự phòng, các sóng mang phụ thứ m (với m = 0, 1, …, K MC -1) tương ứng với dữ liệu thu được ak,p(i) sẽ được tách đồng bộ thông qua DFT (hoặc FFT), từ đó ta thu được giá trị y p (m) trên mỗi nhánh.
- Tiếp theo nhân yp(m) với độ lợi Gk
,(m) để kết hợp năng lượng tín hiệu rời rạc trong miền tần số, và biến quyết định là tổng của các thành phần băng gốc có trọng số:
Trong tín hiệu nhận được sau khi chuyển đổi xuống, y(m) đại diện cho thành phần dải nền Đồng thời, nm(iTs) là nhiễu Gauss phức của sóng mang phụ thứ i tại thời điểm t = iTs.
Kênh truyền fading Rayleigh với tần số biến đổi chậm là một phần quan trọng trong hệ thống MC – CDMA băng rộng Hệ thống này có băng thông rộng được chia thành N kênh băng hẹp, mỗi kênh chịu tác động của fading phẳng, tức là không có tính chọn lọc tần số Điều này có nghĩa là mỗi kênh phụ chỉ có một hệ số độ lợi riêng biệt Tuy nhiên, do sự khác biệt về độ lợi giữa các kênh truyền phụ, tổng thể kênh truyền của hệ thống lại mang tính chọn lọc tần số.
Hình 2.17 Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp f
Băng thông tổng của hệ thống f 1 f 2 f 3 f 4
Kênh truyền f1, f2, f3, f4 yêu cầu điều kiện để tính chọn lọc tần số trên toàn băng thông tín hiệu phát, không thể hiện trên từng sóng mang phụ.
Bc : băng thông liên kết của kênh truyền
f : tốc độ ký hiệu của dữ liệu phát
BW : băng thông tổng của hệ thống
