Tài liệu Giảm papr và mai trong hệ thống mc-cdma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN TÙNG GIẢM PAPR VÀ MAI TRONG HỆ THỐNG MCCDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN TÙNG GIẢM PAPR VÀ MAI TRONG HỆ THỐNG MCCDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn Tùng GIẢM PAPR VÀ MAI TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2009 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 9 Chƣơng 1: MỘT SỐ NÉT CHÍNH VỀ OFDM VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR.............................................................................................. 11 1.1. Mô hình hệ thống OFDM ...................................................................... 11 1.1.1. Nguyên lý xây dựng mô hình hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT [1] .. 11 1.1.2. Mô hình cơ bản của hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT ........... 13 1.2. Các đặc điểm chính của OFDM ........................................................... 15 1.2.1. Ưu điểm so với điều chế đơn sóng mang ........................................ 15 1.2.2. Nhược điểm....................................................................................... 16 1.3. PAPR trong hệ thống OFDM ............................................................... 17 1.3.1. Khái niệm về PAPR .......................................................................... 17 1.3.2. Thuộc tính thống kê của PAPR ....................................................... 17 1.4. Các giải pháp giải quyết PAPR cao ..................................................... 19 1.4.1. Kỹ thuật xử lý méo tín hiệu trước: .................................................. 19 1.4.2. Mã hóa để giảm PAPR:.................................................................... 22 1.4.3. Xáo trộn kí hiệu:............................................................................... 26 1.4.4. Truyền thông tin hỗ trợ .................................................................... 30 1.5. Kết luận ................................................................................................... 30 Chƣơng 2 - TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU ................................................................................ 31 2.1. Giới thiệu hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-CDMA. .................. 31 2.2. Các mô hình trải phổ đa sóng mang .................................................... 31 2.2.1. Nhóm I (Multicarrier CDMA) ......................................................... 32 2.2.2. Nhóm II (MC-DS-CDMA và MT-CDMA) ..................................... 35 2.2.2.1. MC-DS-CDMA............................................................................ 35 2.2.2.2. MT-CDMA .................................................................................. 37 2.3. Ƣu điểm và hạn chế của trải phổ đa sóng mang ................................. 39 2.4. Các chuỗi giả ngẫu nhiên PN dùng trong hệ MC-CDMA. ............... 40 3 2.4.1. Chuỗi ghi dịch có độ dài cực đại (chuỗi m) .................................... 41 2.4.2. Chuỗi Gold ........................................................................................ 48 2.4.3. Các dãy Kasami ................................................................................ 50 2.5. Bài toán tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA ............................. 51 2.6. Các kỹ thuật tách tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đƣờng xuống. ................................................................................................. 53 2.6.1. Tách tín hiệu đơn người dùng SUD ................................................ 55 2.6.2. Tách tín hiệu đa người dùng MUD. ................................................ 59 2.7. Kết luận ................................................................................................... 63 Chƣơng 3: GIẢM PAPR VÀ MUI Ở ĐƢỜNG LÊN VÀ XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA ........................................................... 65 3.1. Đặt vấn đề: .............................................................................................. 65 3.2. Mô tả hệ thống........................................................................................ 65 3.3. Chuỗi trải phổ và tiêu chuẩn lựa chọn ................................................ 67 3.3.1. Chuỗi trực giao ................................................................................. 67 3.3.1.1. Các chuỗi trực giao .................................................................... 67 3.3.1.2. Các chuỗi không trực giao.......................................................... 69 3.3.2. Tỉ số công suất đỉnh trên trung bình và hệ số đỉnh ........................ 70 3.3.3. Nhiễu đa truy nhập MAI .................................................................. 70 3.4. Kết quả phân tích hệ số đỉnh ................................................................ 72 3.4.1. Ngữ cảnh đường lên......................................................................... 72 3.4.2. Ngữ cảnh đường xuống ................................................................... 75 3.5. Các kết quả mô phỏng ........................................................................... 76 3.5.1. Mô phỏng hệ số đỉnh ........................................................................ 76 3.5.2. Tối thiểu hóa hệ số đỉnh tổng thể .................................................... 78 3.5.3. Tối thiểu hóa MAI ............................................................................ 79 3.5.4. Tối thiểu hóa GCF và MAI liên kết ................................................ 81 3.6. Nhận xét kết quả. ................................................................................... 81 3.7. Kết luận. .................................................................................................. 82 KẾT LUẬN ................................................................................................ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 84 MỘT SỐ CHƢƠNG TRÌNH TẠO MÃ GIẢ NGẪU NHIÊN ................. 85 4 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT A/D AWGN BER BS CDMA CF CP CCDF CR D/A DFT DS DS/FH DS/TH DS/FH/TH DS-SS DSCDMA EGC FEC FFT FDM FDMA FH HPA FEC GI Analog/Digital Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Base Station Code Division Multiple Access Crest Factor Cyclic Prefix Complementary Cumulative Distribution Function Clipping ratio Digital/Analog Discrete Fourier Transform Direct Sequence Direct Sequence/Frequency Hoping Direct Sequence/Time Hopping Direct Sequence/Frequency Hoping/Time Hopping Direct Sequence - Spread Spectrum Direct Sequence-CDMA Equal Gain Combining Forward error coding Fast Fourier Transform Frequency-Division Multiplex Frequency Division Multiple Access Frequency Hopping High Power Amplifier Forward Error coding Guard Interval Bộ biến đổi tƣơng tự sang số Nhiễu Gauss trắng cộng tính Tỉ lệ lỗi bit Trạm cơ sở Đa truy nhập phân chia theo mã Hệ số đỉnh Tiền tố vòng Hàm phân bố tích lũy bù Tỉ số ghim Bộ biến đổi số sang tƣơng tự Biến đổi Fourrier rời rạc Chuỗi trực tiếp Hệ thống chuỗi trực tiếp nhẩy tần Hệ thống chuỗi trực tiếp nhẩy thời gian Hệ thống chuỗi trực tiếp nhẩy tần nhẩy thời gian Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp CDMA Tổ hợp độ lợi cân bằng Mã hóa sửa sai hƣớng thuận Biến đổi Fourier nhanh Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số Hệ thống nhảy tần Bộ khuếch đại công suất lớn Mã hóa sửa sai hƣớng thuận Khoảng bảo vệ 5 IC ICI Interference Cancellation Inter-Carrier Interference IFFT ISI JD LMS MAI MIMO MC-SS MCM MC-DSCDMA MCCDMA Inverse Fast Fourier Transform Inter-Symbol Interference Joint Dectection Least Mean Square Multiple Access Interference Multiple-In Multiple-Out Multi-carrier Spread Spectrum Multi-Carrier Modulation Multi-Carrier Direct Sequence CDMA Multi-Carrier – CDMA MF ML MMSE Matched Filter Maximum Likehood Minimum Mean Squared Error MMSE MMSE MUD MRC MS MTCDMA MUI MUD M-QAM Triệt nhiễu Nhiễu xuyên âm giữa các sóng mang Biến đổi ngƣợc FFT Nhiễu xuyên ký hiệu Tách tín hiệu kết hợp Bình phƣơng trung bình tối thiểu Nhiễu đa ngƣời dùng Đa lối vào đa lối ra Hệ thống trải phổ đa sóng mang Điều chế đa sóng mang Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp đa sóng mang Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang Bộ lọc hòa hợp Luật hợp lý cực đại Lỗi bình phƣơng trung bình cực tiểu Minimum Mean Squared Error Tổ hợp lỗi bình phƣơng trung Combining bình cực tiểu Minimum Mean Squared Error – Tách sóng đa ngƣời dùng theo MultiUser Detection phƣơng pháp lỗi bình phƣơng trung bình cực tiểu Maximum Ratio Combining Tổ hợp tỷ số cực đại Mobile Station Trạm di động Multi-Tone CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã đa âm Multiple User Interference Nhiễu đa ngƣời dùng MultiUser Detection Tách tín hiệu đa ngƣời dùng M-Quadrature Amplitude Bộ điều chế biên độ vuông góc Modulation M mức Hệ số đỉnh tổng thể GCF Global Crest Factor OFDM Orthogonal Frequency Division Kỹ thuật ghép kênh phân chia Multiplexing tần số trực giao Orthogonal Restoring Combining Tổ hợp khôi phục trực giao ORC 6 P/S PAPR Parallel to Serial Peak to Average Power Ratio PTS PG PIC Patial Transmission sequence Processing Gain Parallel Interference Cancellation Pseudo Noise Quadrature Amplitude Modulation Quaternary Phase-Shift Keying Radio Frequency Recursive Least Square Selective Mapping Serial to Parallel Successive Interference Cancellation Single Input Single Output PN QAM QPSK RF RLS SLM S/P SIC SISO SNR SSMA SUD TDMA TI TH TDM TR ZF Biến đổi song song sang nối tiếp Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình Dãy truyền từng phần Độ lợi xử lý Triệt nhiễu song song Giả ngẫu nhiên Bộ điều chế biên độ vuông góc Khóa dịch pha 900 Dao động cao tần Bình phƣơng tối thiểu đệ quy Ánh xạ lọc lựa Biến đổi nối tiếp sang song song Triệt nhiễu liên tiếp Hệ thống một anten phát một anten thu Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Spread Spectrum Multiple Access Đa truy nhập trải phổ SingleUser Detection Tách đơn ngƣời dùng Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Tone Injection Chèn tần Time Hopping Hệ thống nhảy thời gian Time-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian Tone Reservation Dành riêng tần Zeros Forcing Cƣỡng ép không 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Mô hình hệ thống OFDM tƣơng tự .................................................. 11 Hình 1.2: Mô hình hệ thống OFDM số ............................................................. 13 Hình 1.3: Kĩ thuật chèn tiền tố lặp ................................................................... 14 Hình 1.4: Bộ phát OFDM sử dụng phƣơng pháp khử đỉnh ............................. 19 Hình 1.5: Sơ đồ khối của kỹ thuật cân chỉnh khối (BS) ................................... 20 Hình 1.6: Sơ đồ khối của kỹ thuật ghim phi tuyến........................................... 21 Hình 1.7: Sở đồ khối của kỹ thuật ghim phi tuyến thực hiện chu trình ghim và lọc . 22 Hình 1.8: Sơ đồ khối của phƣơng pháp dành riêng tần ................................... 23 Hình 1.9a. PSD của tín hiệu lỗi trên sóng mang dữ liệu sau 4 lần lặp với mức giảm PAPR 6dB ................................................................................................. 24 Hình 1.9b. PSD cuả tín hiệu lỗi trên sóng mang dữ liệu sau 4 lần lặp với mức giảm PAPR 7dB ................................................................................................. 25 Hình 1.10: Minh họa phƣơng pháp chèn tần .................................................... 26 Hình 1.11: Sơ đồ khối của phƣơng pháp ánh xạ lọc lựa .................................. 27 Hình 1.12: Đồ thị CCDF của tín hiệu OFDM sử dụng giải pháp SLM ........... 28 Hình 1.13: Sơ đồ khối của phƣơng pháp dãy truyền từng phần ..................... 29 Hình 1.14: Đồ thị CCDF của tín hiệu OFDM sử dụng PTS so với dùng SLM 29 Hình 2.1: Mô hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS............................ 31 Hình 2.2: Nguyên lý trải phổ theo MC-CDMA và DS-CDMA ........................ 32 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA............................................................... 33 Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống MC-CDMA với Nc ≠ Gp ........................................... 34 Hình 2.5: Nguyên lý điều chế MC-SS nhóm II ................................................. 35 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống MC-DS-CDMA ........................................................ 36 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống MT-CDMA ............................................................... 38 Hình 2.8: Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN .............................................. 41 Hình 2.9: Mạch thanh ghi dịch với g(x)=x5+x4+x2+x1+1 .................................. 42 Hình 2.10: Mạch ghi dịch tốc độ cao................................................................. 44 Hình 2.11: Mạch ghi dịch tốc độ cao đối với g(x) = x5+x4+x2+x+1 .................. 44 Hình 2.12: Mạch ghi dịch đối với đa thức sinh không nguyên thủy ..................... 46 8 Hình 2.13: Mạch ghi dịch đối với đa thức sinh g(x) = x3+x+1 ......................... 47 Hình 2.14: Hàm tự tƣơng quan tuần hoàn có hình đinh ghim của dãy m ...... 48 Hình 2.15: Bộ tạo dãy Gold đối với cặp ƣa dùng ............................................. 49 Hình 2.16: Tƣơng quan chéo tuần hoàn đối với dãy Gold ............................... 50 Hình 2.17: Tƣơng quan chéo của các dãy Kasami ........................................... 51 Hình 3.1: Bộ phát MC-CDMA cho ngƣời dùng j ............................................. 66 Hình 3.2: Hệ số đỉnh của các chuỗi trải phổ trực giao (L=32) ......................... 77 Hình 3.3: Hệ số đỉnh của chuỗi trải phổ không trực giao (L=31) .................... 77 Hình 3.4: Hệ số đỉnh toàn cục của mã Golay (L=16) ....................................... 78 Hình 3.5: Hệ số đỉnh toàn cục của mã Wash-Hadamard (L=16) ..................... 78 Hình 3.6: Tỉ lệ lỗi BER theo N u số thuê bao đang hoạt động khi E b/N0 = 6dB, Nc=64,L=16, tách sóng kiểu MMSEC ............................................................... 80 Hình 3.7: Tối thiểu hóa điểm liên kết: Hệ số đỉnh tổng thể của tập con WalshHadamard mà tối thiểu hóa đầu tiên là MAI và GCF. .................................... 80 Hình 3.8: Tối thiểu hóa điểm liên kết: BER theo N u số thuê bao đang hoạt động khi Eb/N0=6dB, Nc = 64, L=16, tách sóng kiểu MMSEC. ............................... 81 9 MỞ ĐẦU Công nghệ ra đời là nhằm đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đó ngày càng tăng cao, để đáp ứng cho những yêu cầu cao đó, đòi hỏi khoa học công nghệ cũng phải cách mạng hóa và cải tiến kỹ thuật để phát triển không ngừng nhằm tạo ra những tiện ích hơn nữa cho con ngƣời. Thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ diệu đã và đang đáp ứng ngày càng tốt những nhu cầu này. Truyền thông di động cũng không nằm ngoài vòng kết nối đó, với hàng loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con ngƣời. Hiện nay Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM dựa trên công nghệ TDMA. Theo dòng lịch sử phát triển của công nghệ, với tính năng ƣu việt của công nghệ CDMA có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ nhƣ thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet, .... Hiện nay Việt Nam đang triển khai mạng di động thông tin di động thứ ba (3G), và trong tƣơng lai với những giải pháp mới mạng di động thế hệ thứ tƣ (4G) đã đƣợc đề xuất. Yêu cầu của truyền tin là nhanh, ổn định và tin cậy nhƣng tốc độ phải cao những vấn đề của truyền thông di động hết sức khắc nghiệt là, suy hao đƣờng truyền tăng theo khoảng cách, theo tần số, ảnh hƣởng phading, ảnh hƣởng của hiện tƣợng di tần Doppler. Để giải quyết những yêu cầu mâu thuẫn trên đòi hỏi phải có những công nghệ và giải pháp mới. Các hệ thống thông tin di động phải thiết kế để chống lại mất mát do đa đƣờng, do phading chọn lọc tần số và độ tán sắc đa đƣờng dẫn tới nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Kỹ thuật trải phổ đa sóng mang MC-CDMA là một phƣơng pháp hấp dẫn để chống lại trải trễ của kênh thông qua truyền thông tin qua nhiều sóng mang con có tốc độ bit thấp. Cơ sở của công nghệ này là sự kết hợp giữa điều chế đa sóng mang MCM mà một trƣờng hợp đặc biệt của nó là điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Nhƣng MC-CDMA có băng thông rộng và có thể là đối tƣợng chịu ảnh hƣởng của phading đa đƣờng chọn lọc tần số. Hơn nữa số lƣợng ngƣời dùng trong hệ thống ngày càng gia tăng với các tốc độ dữ liệu cao thấp khác nhau thì mức độ dàn trải tần số càng trở nên rộng hơn và cần phải dùng những máy thu phức tạp hơn. Do đó vấn đề kênh truyền và nhiễu đa truy nhập 10 MAI là hai nguyên nhân chính dẫn đến làm giảm chất lƣợng hệ thống. Chính vì vậy phạm vi nghiên cứu của luận văn là giảm PAPR trong OFDM và giảm MAI trong MC-CDMA để nhằm nâng cao chất lƣợng cho hệ thống MC-CDMA. Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày các nội dung chính gồm 3 chƣơng nhƣ sau: - Chƣơng 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM, trong đó trình bày về cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM. Từ đó đi sâu vào phân tích một số ƣu điểm và hạn chế chính của hệ thống này. PAPR là một nhƣợc điểm lớn trong hệ thống OFDM. Vì vậy, trong chƣơng này tác giả trình bày một số giải pháp để khắc phục PAPR. - Chƣơng 2: Các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS. Tác giả trình bày tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các hệ thống đa sóng mang MC-SS. Từ đó đánh giá sơ bộ ƣu điểm, hạn chế của hệ thống này. Qua đó, tác giả trình bầy môt số giải pháp khắc phục: dùng các loại mã giả ngẫu nhiên PN nhƣ (chuỗi m, Gold, kasami) để triệt nhiễu đa ngƣời dùng. Các kỹ thuật tách sóng đơn ngƣời dùng SUD và tách sóng đa ngƣời dùng MUD. - Chƣơng 3: Giảm PAPR và MUI ở đƣờng lên và xuống trong hệ thống MC-CDMA - Phụ lục: gồm một số chƣơng trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab, để tạo ra các chuỗi giả ngẫu nhiên nhƣ Gold, chuỗi m, chuỗi Walsh, kasami. Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng nhƣ thời gian nghiên cứu có hạn, nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất mong đƣợc sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và bạn đọc. Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết Kính, giáo viên hƣớng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hƣớng đề tài, tài liệu tham khảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử - Viễn thông cùng các Thầy Cô Phòng đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trƣờng. Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2009 Học viên thực hiện Hoàng Văn Tùng 11 Chƣơng 1: MỘT SỐ NÉT CHÍNH VỀ OFDM VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR 1.1. Mô hình hệ thống OFDM[1][3] 1.1.1. Nguyên lý xây dựng mô hình hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT [1] Theo lịch sử phát triển, kỹ thuật OFDM đã đƣợc đƣa ra vào cuối thập niên 1960 nhƣ đƣợc mô tả ở hình 1.1, tuy nhiên, đó chỉ là mô hình điều chế tƣơng tự, trong đó, đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao. Yêu cầu khắt khe này có thể đƣợc thay thế bằng cách sử dụng bộ biến đổi nhanh Fourier ngƣợc (IFFT). Nơi phát x0,1 0(t) x1,1 1(t) xN-1,1 Kênh truyền n(t) Nơi thu 0(t) 1(t) y0,1 y1,1 g(;t) N-1(t) N-1(t) yN-1,1 Hình 1.1: Mô hình hệ thống OFDM tương tự Thật vậy, trong trƣờng hợp tổng quát, mỗi sóng mang nhánh trong sơ đồ trên có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng phức nhƣ sau: S c (t )  An (t )e j nt n (t )  (1.1) Trong đó, An (t) và n(t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh thứ n,  n   0  n Tín hiệu OFDM thu đƣợc từ phép điều chế là tổng các sóng mang con trên các nhánh thành phần có dạng S OFDM (t )  1 N 1 An (t )e j  nt  n (t )   N n 0 (1.2) 12 Khi phân tích tín hiệu nhận đƣợc sau khi thực hiện điều chế OFDM, ta thƣờng phải quan tâm đến các đặc điểm và chu kỳ T của ký hiệu OFDM. Nếu xét trong khoảng thời gian T này, các biến An (t) và n(t) - chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con – là cố định. Do đó, ta có thể viết: n(t)  n, An (t)  An Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T0 ta có: S OFDM (t )  1 N N 1  A (t )e  j n 0 0  n kT0  n  n (1.3) Không mất tính tổng quát, giả sử w0 = 0 và T0 =T/N S OFDM (t )  1 N 1 S OFDM (t )  N N 1  An e jn e j nkT N j 2 nfT N (1.4) n 0 N 1 A e n 0 n j n e (1.5) So sánh công thức này với kết quả phép IFFT của N điểm rời rạc S c(kT) tại N đầu ra của bộ thu IFFT là : 1 S OFDM (t )  N N 1  n  j Sc  e   NT  n 0 2 nk N (1.6) Với N là kích thƣớc của bộ FFT/IFFT, ta có thể thấy có thế sử dụng IFFT thay cho các bộ lọc hoàn hảo đắt tiền và nhiều bộ dao động cao tần có độ ổn định tần số rất cao. Điều quan trọng là đạt đƣợc tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh. Điều kiện này thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con Δf thoả mãn điều kiện: f   1 1   2 T NT0 (1.7) Trong đó, T là chu kỳ ký hiệu OFDM T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu OFDM của mỗi ký tự. Lý thuyết trên là cơ sở để xây dựng mô hình hệ thống OFDM số dùng trong thực tế. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ xử lý cao, kỹ thuật OFDM sử dụng IFFT/FFT đƣợc thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn và ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi. 13 1.1.2. Mô hình cơ bản của hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT RF oscilator Bộ tạo giao động tần số vô tuyến Dữ liệu phát Điều chế số Chuyển đổi S/P IFFT Chuyển đổi P/S Chèn CP D/A HPA Kênh truyền RF oscilator Bộ tạo giao động tần số vô tuyến Dữ liệu thu Chuyển đổi S/P Chuyển đổi P/S FFT Chuyển đổi S/P Loại CP A/D Hình 1.2: Mô hình hệ thống OFDM số  Chức năng của từng khối ở phần phát của hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau:  Bộ chuyển đổi từ nối tiếp thành song song (S/P) Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát (nối tiếp) với tốc độ cao sẽ đƣợc chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền đồng thời cùng nhau, tốc độ bit truyền trên từng nhánh con nhỏ hơn nhiều so với luồng dữ liệu phát ban đầu. Do đó, chu kỳ một ký hiệu OFDM tăng, tạo nên hiệu quả chống ISI cho hệ thống.  Khối điều chế số Thực chất là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng mang con.  Khối IFFT Trên thực tế, số sóng mang con đƣợc sử dụng thƣờng nhỏ hơn kích thƣớc của bộ IFFT. Đó là do trong số NIFFT đầu vào của bộ IFFT có một số đầu vào đƣợc dùng cho các mục đích khác nhau nhƣ tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc chèn tiền tố lặp. Các bộ biến đổi IFFT/FFT dựa trên thuật toán biến đổi Fourier nhanh cho phép giảm số lƣợng phép nhân phức của các biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Điều này làm tăng tính đơn giản và hiệu quả cho hệ thống. 14  Khối chuyển đổi từ song song thành nối tiếp (P/S) Khối này chuyển các ký hiệu sau IFFT thành chuỗi nối tiếp nhau. Nếu chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu ban đầu là T0 và N là kích thƣớc bộ IFFT/FFT thì sau bộ biến đổi này ta thu đƣợc ký hiệu OFDM có chu kỳ T=N.T0. Trong quá trình truyền đi, các ký hiệu gồm nhóm N mẫu này thƣờng đƣợc đánh dấu để phân biệt đƣợc với nhau nhờ phƣơng pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa các ký hiệu OFDM.  Chèn tiền tố lặp (CP) GI: Guard Interval (khoảng bảo vệ) Hình 1.3: Kĩ thuật chèn tiền tố lặp Việc này nhằm mục đích làm cho khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu OFDM lớn hơn trải trễ cực đại của kênh đa đƣờng, đồng thời giữ nguyên tính trực giao giữa các sóng mang con trong ký hiệu OFDM. CP là bản sao chép đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM, đƣợc ghép vào đầu của nó để đảm bảo các sóng mang con thành phần có tính tuần hoàn. Điều này giúp cho hệ thống có khả năng chống ISI và ICI rất tốt. Ngoài ra, kỹ thuật này còn có tác dụng tốt trong việc thực hiện đồng bộ. Mặc dù việc chèn CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi làm giảm hiệu suất truyền tin, song, những lợi ích to lớn mà nó đem lại khiến cho việc sử dụng kỹ thuật này là rất phổ biến trong thực tế.  Bộ chuyển đổi D/A, bộ dao động cao tần (RF) và bộ khuyếch đại công suất (HPA) 15 Bộ chuyển đổi D/A chuyển đổi các ký tự từ dạng số sang dạng tƣơng tự. Sau đó, tín hiệu đƣợc điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần vô tuyến RF và tiếp theo là tín hiệu đƣợc đƣa lên kênh truyền để đến nơi thu. Bộ khuếch đại công suất cao HPA có tác dụng khuếch đại công suất tín hiệu trƣớc khi tín hiệu đƣợc phát đi.  Tại nơi thu, bộ giải điều chế OFDM cũng bao gồm các khối tƣơng tự nhƣ ở nơi phát, với chức năng ngƣợc lại.  Trong thực tế, sơ đồ khối của hệ thống còn cần thêm các khối khác nhƣ xử lý tín hiệu khi điều chế để giảm PAPR ở phần điều chế, khối đồng bộ thời gian và tần số ở phần giải điều chế. 1.2. Các đặc điểm chính của OFDM[4] 1.2.1. Ưu điểm so với điều chế đơn sóng mang  Truyền dẫn tốc độ cao: Hệ thống OFDM cung cấp khả năng truyền dẫn tốc độ cao do quá trình truyền đồng thời các nhánh.  Hiệu suất sử dụng phổ cao Đó là nhờ đặc tính chồng lấp lên nhau ở miền tần số của các sóng mang con. Giả sử N là số sóng mang con thì băng thông tổng cộng của tín hiệu điều chế OFDM là W N 1 TS với Ts là chu kỳ ký hiệu (1.8) Nếu sử dụng điều chế đơn sóng mang thông thƣờng thì băng thông cần thiết để truyền dẫn thông tin với tốc độ tƣơng đƣơng nhƣ hệ thống đa sóng mang là W ' 2N TS (1.9) Liên hệ giữa W và W’ qua hai biểu thức trên cho thấy hiệu suất sử dụng phổ của OFDM so với điều chế đơn sóng mang thông thƣờng tăng khi số sóng mang N tăng. Trong trƣờng hợp N đủ lớn (N   ), băng thông cần thiết để truyền dẫn OFDM chỉ bằng một nửa so với truyền dẫn đơn sóng mang thông thƣờng. 16  Kháng nhiễu tốt trên kênh phading chọn tần Kênh này có đại lƣợng đặc trƣng là nghịch đảo của thời gian trải trễ, gọi là dải thông kết hợp hay dải thông tƣơng quan. Khi truyền qua kênh có băng thông hữu hạn, nhất là khi truyền với tốc độ cao, tín hiệu sẽ gặp phải ISI. Đó là hiện tƣợng chồng lấn giữa các ký hiệu lân cận khi chu kỳ bit nhỏ và tƣơng đƣơng với thời gian trải trễ. Đối với OFDM, do các dòng nhánh có tốc độ thấp nên nó ít nhạy với trải trễ thời gian của kênh, trải trễ cùng bậc với chu kỳ bit nên nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu và triệt đƣợc ISI. Với việc chèn thêm CP thích hợp, hệ thống có thể chống đƣợc cả ICI.  Hiệu quả trong điều chế và giải điều chế Điều này có đƣợc nhờ việc thực hiện số hoá hoàn toàn bằng IFFT và FFT. Việc thực hiện điều chế và giải điều chế số còn giúp ta tránh đƣợc việc dùng các bộ ổn định tần số cao.  Phân tập tần số Dữ liệu của ngƣời dùng đƣợc điều chế trên tất cả các sóng mang con nên ta có đƣợc phân tập tần số giống nhƣ trong CDMA. OFDM có thể kết hợp với DS - CDMA để tạo thành hệ MC - CDMA.  Ngoài ra, hệ thống OFDM còn có một số ƣu điểm trên các khía cạnh cụ thể khác,chẳng hạn giảm độ phức tạp của máy thu. 1.2.2. Nhược điểm  Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phần nên biên độ của nó có đỉnh cao, dẫn tới PAPR cao. Hiện tƣợng này gây nên sự bão hoà trong bộ khuếch đại và yêu cầu bộ biến đổi D/A có dải động rộng.  Đồng bộ nhạy với di tần Đồng bộ là một khâu rất quan trọng trong các hệ thống thông tin số nói chung, nó là chìa khóa để xác định chính xác các thông số nhƣ tần số sóng mang, chu kỳ ký hiệu, … tại nơi thu. Đặc biệt, đối với hệ thống OFDM, do tính trực giao của các sóng nhánh, hệ thống rất nhạy cảm với nhiều yếu tố nhƣ: tạp 17 âm pha, lỗi đồng bộ ký hiệu, tần số lấy mẫu không hoà hợp do sự khác nhau giữa đồng bộ nơi phát và nơi thu, sự di tần của sóng mang xảy ra khi bộ dao động tại nơi phát và thu có tần số khác nhau. Có khá nhiều thuật toán dùng để đồng bộ cho hệ OFDM, có thể chia thành hai loại chủ yếu: - Thuật toán đồng bộ sử dụng tiền tố lặp (CP). - Thuật toán đồng bộ sử dụng các ký hiệu đặc biệt. Tùy vào cấu trúc của hệ thống, điều kiện truyền dẫn và đặc điểm xử lý tín hiệu số mà ngƣời thiết kế hệ thống chọn thuật toán đồng bộ phù hợp, với tiêu chí là : đảm bảo tính hiệu quả, độ chính xác và giảm đƣợc độ phức tạp trong tính toán càng nhiều càng tốt. 1.3. PAPR trong hệ thống OFDM 1.3.1. Khái niệm về PAPR PAPR của một kí hiệu OFDM đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phƣơng một mẫu đơn lẻ trong miền thời gian với giá trị trung bình bình phƣơng của các mẫu này: PAPR  Maxm0,n1 X m 2   E X m2 (1.10) PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra ở phần phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của các kí hiệu trong không gian tín hiệu. 1.3.2. Thuộc tính thống kê của PAPR Giả sử các kí tự thông tin là ngẫu nhiên và độc lập với nhau. Với số lƣợng các sóng mang đủ lớn (N≥64), có thể áp dụng định luật giới hạn trung tâm để xấp xỉ các mẫu tín hiệu trong miền thời gian của một kí hiệu OFDM có phân bố Gauss với phần thực và phần ảo có kì vọng số bằng 0, phƣơng sai  x2 . Do đó biên độ u n  xn là phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất: fu  2u  x2  u2  exp  2   x  (1.11) 18 Với phân bố này, có thể thấy khả năng giá trị cực đại của một mẫu lớn hơn giá trị trung bình nhiều lần khá cao. Để đánh giá khả năng này, ngƣời ta tính xác suất mà giá trị cực đại của các mẫu trong một kí hiệu OFDM vƣợt quá một ngƣỡng  xác định nào đó. Theo lý thuyết dựa vào biến đổi toán học, ta có công thức: PrPAPR  PAPR 0   1  1  exp  PAPR 0  Với PAPR 0  N   X2 (1.12) Thật vậy: Ảnh hƣởng không mong muốn của kí hiệu OFDM nằm ở đuôi của phân bố Rayleigh, tƣơng ứng với phần đỉnh lớn, ta có: Pr x      f  u du  x0 2u  x0 2 x  e x2  x2 e  x02  x2 (1.13) Xét trƣờng hợp các mẫu của tín hiệu OFDM là độc lập, ta có: Prmax xn     1  Prmax xn    (1.14) n  0,1,...N  1 Mặt khác: N 1 Prmax xn      Pr xn     Prx0   Prx1   ... Prx N  x0   1  e x0  x2 n 0 n  0,1,...N  1 (1.15) Thay biểu thức (1.15) vào biểu thức (1.14) ta có công thức (1.12) cho biết xác suất mà giá trị cực đại của các mẫu trong một kí hiệu OFDM vƣợt quá một ngƣỡng  xác định nào đó. Xác suất này tƣơng ứng với hàm phân bố tích lũy bù (CCDF) của PAPR. Đây là hàm của số sóng mang nhánh N và công suất trung bình của chòm tín hiệu  x2 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản nhất khi thực hiện hệ thống OFDM. Hiện tƣợng này làm cho hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất thấp do phải dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Trong thực tế nó yêu cầu bộ khuếch đại và cả bộ biến đổi A/D, D/A có dải động rộng. Những yêu cầu này làm gia tăng giá cả nhƣng lại làm giảm hiệu quả của hệ thống OFDM. Chính vì thế, trong những năm gần đây, có rất nhiều