Tài liệu Thực hiện hệ thống ofdm sử dụng phương pháp mô hình hóa ldpc trên kênh truyền rayleigh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ---- BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Thông tin di động Đề tài 13 : Thực hiện hệ thống OFDM sử dụng phương pháp mô hình hóa LDPC trên kênh truyền Rayleigh Nhóm 1 Lớp Điện tử 02-K60 1 CHƯƠNG 1 TỒNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. 1.2. Lời nói đầu Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được đề xuất và chuẩn hóa cho truyền thông tốc độ cao. Một số ứng dụng của OFDM có thể kể đến là truyền hình số DVB, phát thanh số DAB, mạng LAN không dây… OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, điều này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngày nay kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, các hệ thống này còn được gọi là COFDM. Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi do đường truyền. Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, nhóm chúng em sẽ đi nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của sự kết hợp giữa mã LDPC- mã sửa sai có ma trận kiểm tra mật độ thấp (một loại mã kênh) và hệ thống OFDM Sơ đồ khối hệ thống Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống LDPC-OFDM 2 CHƯƠNG 2 MÃ SỬA SAI CÓ MA TRẬN KIỂM TRA MẬT ĐỘ THẤP LDPC 2.1. Sự phát triển của mã sửa sai. - Năm 1948 Claude E. Shannon đã phát hành những công trình nghiên cứu về lý thuyết toán học trong công nghệ truyền thông. Trong các công trình này Shannon phát triển các mô hình thuật toán cho phép giải quyết các vấn đề cơ bản trong truyền dẫn tín hiệu. Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền tin số - Nguồn tin: nơi tạo ra tập tin M, với xác suất là f M (M=m). Entropy của M được xác định như sau: - Mã hóa nguồn: bộ mã hóa loại bỏ những thông tin dư thừa của chuỗi đầu vào. - Mã hóa kênh: ghép thêm thông tin dư thừa vào chuỗi dữ liệu đầu vào. Mục đích của việc làm này nhằm tăng khả năng tái tạo dữ liệu bị can nhiễu ở phía đầu thu. Kênh: hàm xác suất truyền dẫn của kênh được định nghĩa là f Y / X (Y/X). Trong đó kênh truyền dẫn là kênh không nhớ. - - Có hai dòng mã sửa sai chính là mã chập (convolution coding) và mã khối (block coding). Trong đó các bộ mã hóa khối được sử dụng nhiều hơn trong thực tế. - Có hai loại mã hóa chính được quan tâm và phát triển là mã Turbo và mã LDPC 3  LDPC có khả năng sửa lỗi cao hơn so với Turbo khi truyền dẫn qua các kênh truyền có phân bố tạp âm trắng kiểu Gauss AWGN  So sánh với Turbo thì LDPC không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng sàn lỗi (Error Floor), hiện tượng này làm tỉ lệ lỗi bit phía đầu ra (BER) không thể giảm xuống giá trị cực nhỏ mặc dù tỉ số Eb/No được tăng lên khá nhiều.  Độ phức tạp của LDPC thấp hơn Turbo. 2.2. Khái niệm a) Khái niệm Mã LDPC (Low Density Parity Check Code) mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp, hay còn gọi là mã Gallager, được đề xuất bởi Gallager vào năm 1962.Về cơ bản đây là một loại mã khối có tuyến tính có đặc điểm là các ma trận kiểm tra chẵn lẻ H là các ma trận thưa, tức là có hầu hết các phẩn tử là 0, chỉ một số ít là 1. b) Mã LDPC đều Theo định nghĩa của Gallager, ma trận kiểm tra chẵn lẻ LDPC còn có đặc điểm là mỗi hàng chứa đúng i phần tử 1 và mỗi cột chứa đúng j phần tử 1, một mã LDPC như vậy sẽ được gọi là một mã LDPC đều (n, i, j), trong đó n là độ dài khối của mã và cũng chính là số cột của ma trận H c) Mã LDPC không đều Từ định nghĩa ban đầu của Gallager, Luby cùng các tác giả khác đã đánh dấu một bước tiến quan trọng của mã LDPC trong việc đưa ra khái niệm mã LDPC không đều. Đặc điểm của mã này là trọng lượng hàng cũng như trọng lượng cột không đồng nhất. Các kết quả mô phỏng cho thấy mã LDPC không đều được xây dựng phù hợp có đặc tính tốt hơn các mã đều. Tiếp theo đó, Davey và Mackay các mã không đều trên GF(q) vời q>2. Theo các tác giả này, khả năng kiểm soát lỗi của loại mã trên GF(q) được cải thiện đáng kể so với các mã trên GF (2). d) Biểu diễn mã LDPC bằng đồ hình Hình 2.2: Đồ hình Tanner - Mã LDPC có thể được mô tả bởi một đồ hình được biết tới với tên gọi là đồ hình Tanner. Đồ hình Tanner là một biểu đồ gồm có hai nhánh (bipartide diagram) bao gồm hai nhóm nodes. Một nhóm là các node kiểm tra (check nodes), một nhóm là 4 các node biến số (variable nodes). Nút biến số biểu thị các bit từ mã, trong khi các node kiểm tra biểu thị phương trình kiểm tra chẵn lẻ. - Cho một mã LDPC (n, k) trong đó sẽ bao gồm n bút biến số và (n-k) nút kiểm tra. Mối quan hệ giữa các node kiểm tra và node biến số được xác định bởi ma trận kiểm tra chẵn lẻ H - Một chu kì có độ dài n (số cột của ma trận H) trong đồ thị Tanner là một đường dẫn bắt đầu và kết thúc trong cùng một nút và bao gồm n cạnh. 2.3. Mã hóa mã LDPC 2.3.1. Mã hóa dùng ma trận sinh G - Các mã LDPC được định nghĩa trên cơ sở là ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, từ ma trận H ta xây dựng ma trận sinh G theo phương pháp khử Gauss-Jordan. Phương pháp này đưa ma trận H về dạng: H=[ I n−k ∨P ] - Với P là ma trận kích thước (n-k)*k và I n−k là ma trận đơn vị kích thước (n-k)*(nk). Ma trận sinh G được xác định theo công thức: G=[ PT ∨I k] - Quá trình mã hóa đến đây chỉ đơn thuần là thực hiện phép nhân giữa ma trận hàng đơn biểu thị chuỗi tin đầu vào với ma trận sinh tìm được. - - 2.3.2. Mã hóa LDPC dùng ma trận kiểm tra chẵn lẻ H Khác với phương pháp trên là tìm ma trận G từ ma trận H cho trước sau đó thực hiện mã hóa với G. Một mã LDPC cũng có thể được mã hóa bằng việc sử dụng trực tiếp ma trận H nhờ biến đổi về dạng gần tam giác dưới. Ý tưởng của phương pháp này là sử dụng chủ yếu các hoán vị hàng và cột sao cho vẫn giữ được đặc điểm thưa của ma trận H. Trước hết chỉ hoán vị hàng và cột để đưa ma trận về dạng gần như tam giác dưới. 3. 5 - - Với T là ma trận tam giác dưới, nghĩa là T có giá trị 1 trên đường chéo từ trái qua phải, các phần tử ở trên đường chéo bằng không, kích thước (m-g) *(m-g). B là ma trận kích thước (m-g) *g và A là ma trận kích thước (m-g) *k, C có kích thước là g*k và D có kích thước là g*g, E có kích thước là g*(m-g). Trong đó k là chiều dài bản tin, n là độ dài khối của mã, m là số bit kiểm tra m=n-k và gọi g là gap, nói một cách gần đúng thì g càng nhỏ độ phức tạp của mã hóa càng thấp. 2.4 Giải mã mã LDPC Sau khi Mackay và Neal chứng minh tính vượt trội của LDPC thì đã có nhiều phương pháp giải mã ra đời như thuật toán truyền Belief BPA, MPA- thuật toán chuyển tin…và một số thuật toán khác Phương pháp tổng tích (SPA) a) Thuật toán MPA Hiện nay rất nhiều hướng được đặt ra nhằm giảm sự phức tạp của thuật toán, và MSA cũng là một trong số đó, MSA được hình thành trên cơ sở phát triển thuật toán SPA, thuật toán mà Mackay-Neal đã sử dụng để chứng minh LDPC có thể tiệm cận giới hạn Shannon. Do đó để tiện cho việc tìm hiểu MSA chúng ta khái quát lại thuật toán SPA 6 - - - - b) Một số đặc điểm của thuật toán giải mã MSA Sự phức tạp của quá trình tính toán với MSA có khả năng giảm sự phụ thuộc vào kênh truyển đổi, điều này thể hiện ở chỗ không cần kể tới thông tin về δ 2, đây chính là ưu điểm nổi trội của thuật toán này so với SPA Với SPA ta phải tính xác suất xuất hiện từ mã P xi đối với x i bằng việc sử dụng phép nhân, trong thuật toán nhân chỉ phải tính giá trị min (x)- giá trị từ mã nhỏ nhất bằng các phép cộng và so sánh nên khối lượng tính toán giảm đi nhiều.  Khi sử dụng thuật toán MPA có thể giảm khối lượng tính toán rất nhiều so với thuật toán SPA. 2.5 Kết luận Ý nghĩa:  Vai trò đặc biệt quan trọng trong truyền dẫn thông tin số.  Tăng khả năng tái tạo dữ liệu ở phía thu. Bài toán đặt ra: 7  Tối ưu thuật toán giải mã để tăng khả năng sửa lỗi của mã, hoặc giảm độ phức tạp của quá trình giải mã.  Xây dựng được một bộ giải mã với khả năng sửa lỗi tốt nhất với độ phức tạp của quá trình mã hóa, giải mã có thể chấp nhận được.  Xây dựng, tối ưu hóa những mô hình tích hợp mã có khả năng chống lỗi tốt nhất mà độ phức tạp của hệ thống có thể chấp nhận được. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG OFDM 3.1. Giới thiệu chung về kỹ thuật OFDM - OFDM là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing có thể được tạm dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W. Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử. - Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý. 3.2. Các khái niệm liên quan đến OFDM 3.2.1. Hệ thống đa sóng mang - Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM. 8 Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang - 3.2.2. Ghép kênh phân chia theo tần số FDM Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian. Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số - Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ. 3.3. Hệ thống OFDM 3.3.1. Mô hình hệ thống OFDM 9 Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống OFDM 3.3.2. Nguyên lý hoạt động - Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song với tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P (bộ chuyển đổi nối tiếp - song song), mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán FEC và được sắp xếp một cách hỗn hợp. - Tiếp theo, những ký tự hỗn hợp này được đưa tới đầu vào của khối IFFT, khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. - Sau đó ta sẽ thêm khoảng bảo vệ vào để làm giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường. - Bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đối lên tần sô cao để truyền trên các kênh. - Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu gauss trắng cộng AWGN - Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ và các mẫu được chuyern từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. 10 - Sau đó tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về viên độ và pha của sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (chanel Equalization). - Các ký tự hôn họp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lịa và được giả mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu 3.4. Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 3.4.1. Mã hóa sửa sai trước FEC - 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 của tỷ số Eb/No (SNR), điều này được thể hiện rõ ở việc kênh truyền bị tác động cảu AWGN, mã FEC đc chia thành 2 loại chính. + Mã khối (block coding) + Mã chập (convolutional coding) + Ngoài ra người ta còn dùng mã hóa Trellis (là một dạng của mã chập nhưng có thêm phần mã hóa, bên thu có thế dùng thuật toán Virterbi) 3.4.2. Phân tán kí tự - - - - Do fading lực chọn tần số của các kênh vô tuyến điển hình làm cho những sóng mang phụ ít tin câyj hơn những sóng mang khác. Vì vậy tạo ra các chumg lỗi bit lớn hơn được phân tán một cách ngầy nhiên. Hầu hết các mã sửa lỗi không đc thiết kế để sửa lỗi chùm. Do đó, bộ phân tán kí tự được tạo ra nhằm ngẫu nhiên hóa sự xuất hiện của những bit lỗi trc khi giải mã. Tại bộ phát, bằng cách nào đó người ta hoán vị những bit đã mã hóa sao cho nhưng bit kề nhau bị cách nhau nhiều bit. Tại bộ thu, việc hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã. 3.4.3. Sắp xếp Về nguyên tắc, có thể áp dụng bất kỳ phương pháp điều chế nào cho mỗi sóng mang. Dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra. Tức là dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 8) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64- QAM Nói chung, mô hình điều chế tùy thuộc vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc dộ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Một ưu điểm đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng đa phương tiện sau này là mô hình điều chế khác nhau có thể đc áp dụng cho các kênh khác nhau, chẳng hạn cho các lớp dịch vụ khác nhau. 3.4.4. Sử dụng 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 những trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên sẽ không hiệu quả, nhiều khi là 11 - 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. Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM  Tại máy phát, tín hiệu được định nghĩa trong miền tần số, là tín hiệu số đã được lấy mẫu, và được định nghĩa như phổ Fourier rời rạc tồn tại chỉ tại tần số rời rạc. Mỗi sóng mang OFDM tương ứng với một phần tử của phổ Fourier rời rạc. Biên độ và pha của các sóng mang phụ thuộc data được truyền. Sự chuyển tiếp data được đồng bộ tại các sóng mang, và có thể xử lý cùng nhau, symbol by symbol  Đầu tiên, data vào được chuyển từ nối tiếp sang song song và được nhóm thành x bits dưới dạng một số phức. Số x xác định chòm sao tín hiệu của sóng mang tương tứng, như 16-QAM hoặc 32-QAM. Số phức được điều chế trong băng gốc bằng thuật toán IFFT và được chuyển trở lại thành data nối trên đường truyền. Khoảng bảo vệ được chèn vào giữa các ký tự để tránh ISI. Các ký tự rời rạc được chuyển thành analog và LPF đối với trên tần số RF.  Máy thu thực hiên quá trình ngược lại cảu máy phat. Một bộ tạp-equalizer được sử dụng. Hệ số tạp của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin kênh. 3.5. Các vấn đề trong kỹ thuật OFDM - OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn để cần phải được giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM - Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM. 3.5.1. Ước lượng tham số kênh - Ước lượng kênh 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 - Để ước lượng kênh, phương pháp phố biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal asssited Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trc về pha và biên độ. tại bên thu 12 - - so sánh tín hiệu thu được vs tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có 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 được ước lượng. trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con đươc ước lượng. có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian – tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống. Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ lọc ước lượng kênh: phải đảm bảo được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chi tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý lỗi bình phương nhỏ nhất- MSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng lại rất phức tạp. vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.5.2. Đồng bộ trong OFDM - Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI (InterSymbol Interference, InterCarier Interference) và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp. Các kênh con có thể coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do vấn đề đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Trong hệ thống OFDM, người ta thường xét đến ba loại đồng bộ: đồng bộ ký tự (Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (Carrier synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling-clock synchronization). 3.5.2.1. Đồng bộ kí tự Nhiệm vụ của việc đồng bộ ký tự là phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Đây là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Hiện nay, với việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix), thực hiện đồng bộ ký tự đã trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. a) Lỗi định thời – Timing error 13 Lỗi định thời gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu của ký tự thu được. Nó gây nên độ quay pha của các sóng mang con, sự quay pha này sẽ lớn nhất tại các vị trí rìa băng. Nếu lỗi định thời đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong độ lớn của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì tính trực giao vẫn được bảo toàn và sẽ không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Trong trường hợp ngược lại, nếu lỗi thời gian lớn hơn thời khoảng của CP, nhiễu ISI sẽ xảy ra. Có hai phương pháp chính để thực hiện đồng bộ thời gian. Đó là phương pháp đồng bộ dựa vào các tín hiệu dẫn đường (pilot) và phương pháp dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix).  Đồng bộ thời gian dựa trên tín hiệu pilot: Thuật toán đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được giới thiệu lần đầu bởi Warner và Leung năm 1993 [1], dùng cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức là các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần FM. Theo đó, phía phát sẽ mã hoá một số kênh con dành riêng với tần số và biên độ biết trước. Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ. Thuật toán đồng bộ bao gồm ba giai đoạn [1]: nhận biết công suất (power detection), “đồng bộ thô” (coarse synchronization) và “đồng bộ tinh” (fine synchronization). - Giai đoạn nhận biết công suất cho phép xác định có hay không tín hiệu OFDM tại đầu vào máy thu, bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng. - Trong giai đoạn đồng bộ thô (coarse synchronization), tín hiệu sẽ được đồng bộ bước đầu với độ chính xác là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Tuy độ chính xác về đồng bộ trong bước này không cao, nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Bước “đồng bộ thô” được thực hiện bằng cách cho tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao của tín hiệu phát (đã xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan. Để đảm bảo tính chính xác trong việc ước lượng đỉnh tương quan, một bộ lọc số được sử dụng để cung cấp các giá trị dữ liệu nội suy. Đồng thời, tần suất ước lượng các điểm tương quan phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu - Bước cuối cùng trong thuật toán là đồng bộ tinh (fine synchronization). Các kênh con cùng các tín hiệu dẫn đường được cấn bằng với các kênh đã được ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện. Do độ chính xác thời gian đồng bộ đảm bảo nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên đáp ứng xung của kênh sẽ nằm trong khoảng thời gian của CP (vì thời khoảng CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung ít nhất là 1 mẫu).  Đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Thực chất của phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp, là chèn vào các thời điểm ban đầu của các ký hiệu OFDM thứ N một chuỗi bảo vệ GI (Guard interval). Chuỗi bảo vệ, là một chuỗi tín hiệu có độ dài T G, lấy ở phía cuối một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài TFFT (hình 2.1) được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu OFDM này. Trong khoảng thời gian GI này máy thu sẽ không xử lý các tia phản xạ (của ký hiệu OFDM trước đó) đến trễ hơn khoảng thời gian cho phép, và như vậy nó có tác dụng 14 chống lại nhiễu xuyên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau: Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng ký tự để lấy ra được biên độ và pha của sóng mang con. Với các hệ thống OFDM có tốc độ lấy mẫu như nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước FFT phải như nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì được tính trực giao giữa các sóng mang con. Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi ký tự thu được có thời gian lấy mẫu là TG + TFFT, trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín hiệu trong khoảng thời gian TFFT. Do đó khoảng thời gian TG là thừa. Với một kênh truyền lý tưởng không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất kỳ sự xê dịch nào về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các ký tự. Tuy nhiên, trong thực tế không có kênh truyền nào là lý tưởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ truyền dẫn. Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu được. Lượng quay pha này tỷ lệ với tần số của sóng mang con. Giả sử lượng thời gian xê dịch là như nhau với các ký tự khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian dễ dàng được loại bỏ bởi bước cân bằng kênh truyền. Trong môi trường đa đường, dải bảo vệ càng lớn thì ISI càng được loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch thời gian cũng được giải quyết. Điều kiện quyết định để đảm bảo cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI và loại bỏ lỗi xê dịch thời gian là T G ≥ τmax. Trong đó: τmax là trễ truyền dẫn lớn nhất trong kênh truyền. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ GI không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống sẽ bị suy giảm đi một hệ số là [3]: 15 η= T FFT T FFT +T G H Hình 3.4: Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ GI Dù việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi. Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã làm cho việc sử dụng kỹ thuât này trở nên rất phổ biến mà trong hệ thống OFDM nào cũng phải sử dụng. Việc nhận dạng khoảng bảo vệ ở phía thu có thể được phân tích như sau [1]: với N là số sóng mang nhánh. N cũng bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của ký tự OFDM (không kể CP). Khi đó: Nếu r(m) và r(m+N) tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên công suất của d(m) = r(m) - r(m+N) thấp. Mặt khác, r(m) và r(m+N) không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự, do d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan, nên công suất trung bình của d(m) trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của ký tự OFDM. Nếu sử dụng một “cửa sổ” trượt có độ rộng đúng bằng khoảng thời gian của CP (tức là điểm cuối của cửa sổ trùng vào điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của ký tự 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 ký tự OFDM, đồng bộ thời gian được thực hiện. b) Nhiễu pha sóng mang Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ dao động thu hoặc phát. Mô hình, các phân tích, đánh giá về hiện tượng này được trình bày trong nhiều tài liệu. Theo đó, nhiễu pha sóng mang được coi như một quá trình Wiener. Các đánh giá phân tích về nhiễu pha sóng mang được đề cập thêm trong phần đồng bộ tần số sóng mang của tiểu luận này. 3.5.2.2. Đồng bộ tần số sóng mang Đồng bộ tần số sóng mang là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang. Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, các chỉ tiêu chất lượng cũng như các ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống bị giảm 16 đi đáng kể. Trong hệ thống OFDM, do tính trực giao của các sóng mang con đòi hỏi rất chặt chẽ nên việc đồng bộ giữa các sóng mang cũng cần được hết sức quan tâm để đảm bảo cho việc phục hồi tín hiệu. Có hai nguyên nhân chính dẫn đễn việc mất đồng bộ sóng mang, đó là: Sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu tại máy thu không nằm đúng vào đỉnh của xung sinc [sinc (x) = sin x / x]) và nhiễu kênh lân cận ICI....) Hình 3.5: Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang Trong đồng bộ tần số sóng mang, người ta quan tâm đến hai vấn đề chính: lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. a) Lỗi tần số Lỗi tần số là sự lệch tần số gây ra bởi sai khác giữa hai bộ dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu do tín hiệu (có dạng hàm sinc) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Sự suy giảm tỉ số tín trên tạp D(dB) đã được Pollet đánh giá và phân tích thông qua biểu thức sau: 10 N . ΔF 2 E S 2 10 ¿ ( π . Δf ) = π 3 ln 10 ƯW N 0 D(dB) 3 ln10 ( Trong đó: ΔF là độ lệch tần số N: số sóng mạng con W: độ rộng băng tần 17 ) Hình 3.6: Suy giảm SNR do lệch tần số (phân tích trên cơ sở nhiễu AWGN) Theo đánh giá này, để đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ thống, thì độ bất ổn định trong đồng bộ tần số sóng mang của hệ thống phải thấp hơn 2% b) Thực hiện ước lượng tần số Cũng giống như trong đồng bộ thời gian, có thể chia các giải pháp để ước lượng tần số thành hai loại: dựa trên sử dụng tín hiệu pilot và sử dụng CP. Vì đồng bộ tần số là yêu cầu cốt yếu của hệ thống thông tin đa sóng mang nên đây là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Với đồng bộ tần số sử dụng CP, có thể thực hiện thuật toán theo một số hướng như sau: + Tạo ra hàm có đỉnh khi chênh lệch tần số bằng 0; + Sử dụng bộ ước lượng ML (Maximun Likehood). Ngoài ra, để tăng thêm độ chính xác của bộ ước lượng tần số, người ta còn có thể sử dụng thêm các bộ khoá pha (Phase Lock Loop - PLL). Một vấn đề cần chú ý là quan hệ giữa đồng bộ tần số và đồng bộ thời gian. Để giảm ảnh hưởng của mất đồng bộ tần số, có thể giảm số lượng sóng mang nhánh, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Tuy nhiên, giảm số lượng sóng mang sẽ thu nhỏ thời khoảng ký tự trên mỗi sóng mang làm độ nhạy với sai lỗi thời gian của hệ thống tăng lên, yêu cầu về đồng bộ thời gian phải chặt chẽ hơn. Vì vây, cần phải nghiên cứu để dung hoà hai yêu cầu về đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số. Trong thuật toán đồng bộ tần số dựa vào pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu này. Tín hiệu pilot thường được chọn là các chuỗi giả ngẫu nhiên PN hoặc tín hiệu chip [1]. Bằng cách sử dụng một thuật toán thích hợp, bên thu sẽ xác định được giá trị xoay pha của tín hiệu gây ra bởi sai lệch tần số. 18 Tín hiệu dẫn đường được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT. Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu và được phát đi cùng nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như khôi phục kênh truyền, đồng bộ hệ thống, trong đó có vai trò đồng bộ tần số. Hình 3.7: Mô hình chèn mẫu tin dẫn đường vào tín hiệu OFDM Mẫu tin dẫn đường được chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở trong miền tần số và miền thời gian (hình 2.6). tuy nhiên, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τmax. Với rf là tỷ số lấy mẫu ở miền tần số, fS là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang nhánh thì khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thỏa mãn điều 1 rf = ≥1 D . f . τ f S max kiện sau [3]: Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải bằng 1. Tỷ số này có thể lớn hơn 1, khi đó số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu đã nêu ở trên thì kênh truyền không thể khôi phục đượchoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường. Tương tự như ở miền tần số, ở miền thời gian, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp Dt cũng phải thỏa mãn điều kiện tiêu chuẩn lấy mẫu trên miền thời gian. Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler fD max. Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian thì khoảng cách D t phải thỏa mãn điều kiện sao cho tỷ số lấy mẫu trên miền thời gian rt ≥ 1 như sau: rf = 1 ≥1 2 . f D max . Dt ( T S +T G ) Việc đồng bộ tần số sóng mang phía thu được thực hiện thông qua các thuật toán đánh giá kênh truyền và ước lượng tần số. Dưới đây trình bày một số thuật toán ước lượng tần số và đánh giá kênh truyền 19  Đánh giá lỗi tần số sử dụng thuật toán ước lượng sau DFT Cũng như thuâ ̣t toán miền thời gian, việc ước lượng độ lệch tần số thực hiện sau xử lý DFT đòi hỏi phải cần tối thiểu ký hiệu lặp lại liền nhau. Phần cấu trúc mào đầu của hai ký hiệu này có thuộc tính phù hợp với các ký hiệu huấn luyện dài và ngắn- short and long training symbol, điều này cho phép máy thu thực hiện việc đánh giá sai số tần số sau quá trình xử lý DFT. Theo phân tích trong Moose [7] thì đánh giá sai số tần số theo khả năng cực đại - maximum likelihood error estimator được thực hiện như sau: Tín hiệu thu được trong khoảng thời gian lặp lại của hai ký hiệu (bỏ qua tạp âm) được tính 1 rn= N Trong đó: [∑ j 2 πn ( k +f Δ) K k=−K Xk . Hk . e N ] n = 0, 1…, 2N-1 (*) Xk là các ký hiệu dữ liệu phát đi Hk là đáp ứng tần số kênh cho sóng mạng phụ thứ k; K là tổng số các sóng mang phụ fΔ là sai số tần số đối với khoảng sóng mang phụ. Tính toán DFT cho ký hiệu thu đầu tiên với sóng mang phụ thứ k là: N−1 R1 ,k = ∑ r n e − j2 π kn N k = 0, 1…N-1 n=0 và DFT cho ký hiệu thứ hai là: 2 N −1 R2 , k= ∑ n= N rn e − j 2π kn N N−1 = ∑ r n+N e − j2 π kn N k = 0, 1… N-1 n=0 Từ phương trình (*) tính cho mẫu n + N ta có: 1 r n+ N = N [∑ j 2 π ( n+N ) ( k +f Δ ) K k=−K Xk . Hk . e N ] [∑ 1 = N j 2 π .n ( k+ f Δ ) K X k . Hk . e k=− K N ] e j 2 .π .f Δ =e j2. π. f Δ Vì e j2πk = 1, thế vào biểu thức trên ta được: R2,k = R1 ,k e j2 . π . f Δ Do các sóng mang con có độ di pha tương ứng với độ lệch tần số, nên có thể tính toán lỗi tần số thông qua độ di pha này bằng cách sử dụng biến trung gian z: 20