Chương 2 Xử lý tín hiệu đa chiều trong thông tin di động 17
2.2 Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu trong truyền thông vô tuyến thế hệ mới
2.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 18
2.2.1.1 Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang
Kỹ thuật truyền dẫn đơn sóng mang được sử dụng để truyền tải thông tin vô tuyến trong các hệ thống thông tin di động trước đây. Tuy nhiên, các kênh truyền vô tuyến chịu tác động mạnh mẽ của hiện tượng fading đa đường, điều này đã gây suy hao tín hiệu nghiêm trọng. Trong truyền dẫn băng rộng, băng thông tín hiệu lớn và chiếm dụng một dải phổ tần lớn. Khi hiện tượng fading chọn lọc tần số tác động lên tần số sóng mang thì toàn bộ thông tin sẽ bị mất. Một phương pháp để tránh ảnh hưởng của hiện tượng chọn lọc tần số là truyền dẫn đa sóng mang [8]. Thay vì sử dụng một tần số sóng mang để truyền một tín hiệu băng rộng, máy phát sẽ sử dụng nhiều sóng mang con. Đó chính là phép biến đổi từ kênh truyền lựa chọn tần số băng rộng, thông lượng cao thành những kênh truyền con không chọn lọc tần số có thông lượng thấp hơn. Để thực hiện điều này, băng thông những kênh truyền con cần phải bé hơn băng thông tương quan của kênh truyền. Một vài sóng mang con có thể bị mất mát trong quá trình truyền dẫn do hiện tượng fading đa đường, nhưng phần lớn tín hiệu được phát đi vẫn được nhận tại đầu thu, kết hợp với việc mã hóa kênh, phần bị mất có thể khôi phục lại được. Một cách đơn giản nhất để thực hiện truyền dẫn đa sóng mang là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
Mỗi kênh con được cấp phát một tần số để truyền dẫn đồng thời trên các sóng mang phụ khác nhau.
2.2.1.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu (data symbol) được điều chế thành những sóng mang phụ (hay sóng mang con) song song và cách đều nhau. Các sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian (còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số). Với một băng tần có sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng mang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số thông thường.
Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả để khắc phục hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI do hiệu ứng trải trễ trong pha đinh đa đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI preriod) tại vị trí bắt đầu của mỗi symbol, và rất thích hợp cho các kênh truyền pha đinh lựa chọn tần số nhờ biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền pha đinh phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp [9].
2.2.1.2.1 Máy phát OFDM
Xét một hệ thống mã hóa OFDM sử dụng phương pháp điều chế số biên độ cầu phương M-QAM. Dòng bit dữ liệu đầu vào trước khi được điều chế sẽ đi qua khối mã hóa kênh (Convolutional Encoder) để tăng khả năng kháng lỗi, giảm tỉ lệ lỗi bit BER ở bên thu. Sau đó, luồng bit này sẽ tiếp tục được xáo trộn (hay xen rẽ) theo một trình tự thích hợp bởi bộ xáo trộn, hay còn gọi là bộ xen rẽ (Scrambler hay Interleaver) nhằm làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng lỗi chùm (burst error). Sau khi đã được mã hóa kênh và xáo trộn, luồng bit này được nhóm lại thành từng cụm {dk,m} gồm Q bits (với Q = log2M và dk,m= [dk,m,0, ..., dk,m,Q−1]) rồi được ánh xạ (vào biên độ và pha của sóng mang phụ) thành các symbol phức Xk,m sau khi đi qua bộ điều chế số M-QAM (với m và k biểu thị chỉ số của symbol OFDM và thứ tự của các sóng mang phụ trong symbol OFDM đó, một cách tương ứng). Các mẫu phứcXk,m tiếp tục được chia thành từng khung có chiều dài bằng nhau rồi chèn thêm một số thích hợp các pilot cùng là các symbol phức (các pilot được chèn thêm này được dùng để ước lượng đáp ứng kênh truyền) để tạo thành một symbol OFDM hoàn chỉnh gồm N sóng mang phụ, với N là kích thước của phép biến đổi FFT và IFFT.
N sóng mang phụ này được chuyển từ nối tiếp sang song song khi đi qua bộ S/P (Serial to Parallel) rồi được đưa tới đầu vào của khối IFFT để thực hiện biến đổi dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian, thu được một symbol OFDM mới là{xn,m}(vớin ∈0, ..., N −1). Sau đó tiền tố lặp CP (là bản sao của
thành phần cuối của symbol OFDM{xn,m}) có chiều dài làNg sẽ được chèn vào trước symbol {xn,m}đó để khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xuyên kí tự ISI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường.
Cấu trúc khung
S/P IFFT DAC RF
Clk Osc
RF LO
P/S ci
Pilot OFDM Dữ liệu OFDM
Chèn Pilot
Mã hóa kênh
ĈiӅu chӃ
M-QAM Chèn CP
Luӗng bit tin
Hình 2.1: Sơ đồ khối máy phát OFDM
Sau khi thực hiện biến đổi IFFT và chèn thêm tiền tố lặp CP, tín hiệu OFDM ở băng tần cơ sở được truyền đi được biểu diễn như sau:
xn,m = 1
√ N
N−1
X
k=0
Xk,mej2πknN (2.1)
với n ∈ {−Ng, ...,0, ..., N −1}, Ng là chiều dài của CP.
Cuối cùng máy phát thực hiện biến đổi DAC, điều chế khuếch đại cao tần, khuếch đại công suất và phát tín hiệu ra từ anten.
2.2.1.2.2 Máy thu OFDM
RF LO
Clk Osc
RF ADC CP S/P FFT Giҧi ÿiӅu chӃ -1
M-QAM
Giҧi mã Luӗng bit tin
Hình 2.2: Sơ đồ khối máy thu OFDM
Ở máy thu, quá trình xử lý tín hiệu nhận được sẽ ngược lại với quá trình ở máy phát. Tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và chuyển thành tín hiệu rời rạc {yn,m} sau khi đi qua bộ ADC. Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các symbol OFDM được biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào kỹ thuật điều chế M-QAM được sử dụng ở bên phát mà bên thu sử dụng phương pháp giải
điều chế tương ứng. Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Qua kênh truyền pha đinh đa đường, các mẫu thứ n nhận được (sau khi đã được loại bỏ tiền tố lặp CP) trong symbol OFDM thứm được biểu diễn như sau:
yn,m =
L−1
X
l=0
hl,n,mxn−l,m+zn,m (2.2)
trong đó: n ∈ {0, ..., N −1}, hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền pha đinh đa đường vàzn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là No. Ta thấy rằng, để không xảy ra nhiễu xuyên ký tự ISI thì chiều dài Ng của tiền tố lặp CP phải thỏa mãn: Ng ≥L−1.
Tín hiệu yn,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song và tiếp tục đưa vào bộ biến đổi FFT. Tín hiệu thu được trong miền thời gian được biểu diễn như sau:
Yk,m= 1
√ N
N−1
X
n=0
yn,me−j2πkn/N (2.3)
=Hk,mXk,m+ρk,m+Zk,m (2.4) trong đó:
Hk,m= 1 N
N−1
X
n=0 L−1
X
l=0
hl,n,me−j2πkn/N, (2.5)
Zk,m = 1
√ N
N−1
X
n=0
zn,me−j2πkn/N, (2.6) và
ρk,m= 1 N
N−1
X
i=0i6=k
Xi,m
N−1
X
n=0 L−1
X
l=0
hl,n,me−j2πil/N
!
ej2πn(i−k)/N (2.7) Đặc biệt, trong kênh truyền pha đinh đa đường không đổi theo thời gian, tín hiệu nhận được trong miền thời gian có thể được biểu diễn như sau:
Yk,m =Hk,mXk,m+ 0 +Zk,m (2.8) với ρk,m = 0 và Hk,m=PL−1
l=0 hle−j2πkl/N. 2.2.1.3 Đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang 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 truyền dẫn OFDM, thường xét đến ba loại đồng bộ: Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency syn- chronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) [66].
• 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 sai số định thời (timing error) và nhiễu pha (phase noise).
– Sai số định thời gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.
Nếu sai số định thời đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP), thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là: Đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là: nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization)và đồng bộ tinh (fine synchronization).
– Nhiễu pha sóng mang: là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu.
Sự sai lệch pha ngẫu nhiên giữa bên phát và bên thu có thể gây mất tính trực giao của hệ thống OFDM một cách nghiêm trọng.
• Đồng bộ tần số sóng mang: Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : Sai số tần số sóng mang và thực hiện ước lượng tần số. Sai số tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hưởng do sai số tần số gây ra là: suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu
Hình 2.3: Hệ thống SISO, SIMO, MISO và MIMO
xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do sai số tần số sóng mang gây ra.
• Đồng bộ tần số lấy mẫu: Tại bên thu, tín hiệu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này.
Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai gọi là: lấy mẫu không đồng bộ. Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ.