Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 3 Đồng bộ và Cân bằng

Chương 3 Đồng bộ và Cân bằng

Tải bản đầy đủ - 0trang

Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

đợc ở phía thu r(t) sẽ đợc lọc và lấy mẫu với tần số lấy mẫu là

bội số của 1/T.

Tín hiệu ở đầu ra của máy thu FFT với giả thiết kênh

truyền lý tởng đợc biểu diễn nh sau:



 ∞

Nk 



yn =  ∑ X c  f +

 ⊗ TW ( fT )

T 

 k =−∞ 



f=



n

T



Trong ®ã Xc(f) lµ biÕn ®ỉi Fourier cđa tÝn hiƯu alalog đợc lặp lại một cách định kỳ tơng đơng với tín hiệu phát ra

bởi máy phát IFFT. Do đó, Xc(f) có phổ vạch tại tần số k/T và

W(f) là biến đổi Fourier của hàm cửa sổ w(t).

Giả thiết tín hiệu lấy mẫu theo thời gian có độ dịch pha

tơng đối và độ dịch pha này không đổi suốt trong mét

symbol, khi ®ã tÝn hiƯu ë phÝa thu ®· đợc lấy mẫu có thể

đơn giản hóa nh sau:

N 1



y k = ∑ Dn e e





j 2π



n

fk t

N

t=



n =0



k +τ

fs



Trong ®ã ϕ biĨu diƠn ®é mÐo pha cđa ®êng bao. Sau

khi biến đổi Fourier tín hiệu có dạng sau:



1

Dm =

N



N −1 N −1



∑∑ D e

k =0 n =0



n



j 2π



n

k

N



N −1



n 



j  ϕ + 2π τ  N −1

N 





n =0



k =0



⇒ Dm = ∑ Dn e



e



∑e



n 



j  ϕ + 2π τ  − j 2π m k

N 



N



e



− j 2π



k

( n− m )

N



0



n 



=

j  ϕ + 2π

N

Dm e



nm

n=m



Nh vậy, độ dịch pha theo thời gian hay độ méo pha của

đờng bao không ảnh hởng đến tính trực giao của các sóng

mang con.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Tuy nhiên, dịch tần số lại gây ảnh hởng nghiêm trọng

đến tín hiệu OFDM. Nó làm nhiễu giữa các sóng mang và

do đó gây ra vi phạm tính trực giao của các sóng mang con.

Nh ở trên, ta đã có đợc biểu thức của tín hiệu analog ở miền

tần sè d¹ng phỉ v¹ch nh sau:



 ∞

Nk 



yn =  ∑ X c  f +

 ⊗ TW ( fT )

T





k

=









f=



n

T



Rõ ràng ảnh hởng của dịch tần gây ra giao thoa giữa

các sóng mang cũng tơng tự nh giao thoa giữa các symbol do

jitter trong tín hiệu đơn sóng mang. Trong kênh không phân

tán với một xung vuông, nhiễu do dịch tần gây ra nh sau:

N 1



y k = Dk e



 n



j 2πt  f s +δf 

N







n =0



N −1



t=



k

fs



= ∑ Dk e



 n δf 

j 2π  +  k

 N fs 



n =0



Sau khi biÕn ®ỉi DFT ta cã:

k

 j 2π∆f



− 1  N −1 N −1 j 2π N ( n−m+∆f )

e

D m = Dn 

+ Nm

∆f

 + ∑ Dn ∑ e

 j 2π N

n =0

k =0

1

e

~



Trong đó f là độ lệch tần số tơng đối



f =



n f

fs



Biểu thức trên cho thấy ngoài tín hiệu mong muốn còn

có thành phần nhiễu giữa các symbol của một vài sóng

mang. Hiện tợng này gây ra nhiễu giữa các sóng mang ICI

(Inter-Carier Interference) và đây là một vấn đề quan trọng

trong hệ thống OFDM.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Để tránh nhiễu ICI gây ra bởi dịch tần, biến đổi Fourier

của hàm cửa sổ phải có giá trị 0 tại điểm là bội sè cđa tÇn

sè symbol.



wn = w( t ) t =nT

Wm = W ( ω ) ω =2πmf s = δ m

Một hàm sinc tổng quát có dạng



sin n

ì g ( n)

n

Với g(t) là hàm thêm vào để thỏa mãn biểu thức trên. g(t)

thờng đợc chọn là hàm cos nâng (Raised cosine function)

Biểu thức của hàm cos nâng nh sau:





T





t

t

sin π

cos βπ



T ×

T

wrc = 

2

t

t

2

 π

1 − 4β 2

T



T



0





0≤ t



1

2T



1

1+

t

2T

2T

t



Trong đó là hệ số đặc trng cho dạng xung ở miền thời

gian. Nếu càng lớn thì yêu cầu khoảng bảo vệ càng lớn và

chiếm dụng băng thông càng lớn.

ảnh hởng của dịch pha tới hệ thống OFDM nhiều khi là

bắt buộc. Do đó, trong thực tế, yêu cầu không có nhiễu ISI

đợc nới lỏng tới chừng mực nào đó để có thể chống lại dịch

tần. Nói cách khác, ta cho phép một lợng nhỏ nhiễu ISI để

giảm thiểu nhiễu ICI. Nh vậy cần có sự thỏa hiệp giữa nhiễu

ISI và nhiễu ICI.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



3.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM

Hiệu chỉnh thô, Đồng bộ gói/khung/khe



Đánh giá và hiệu chỉnh dịch tần số



Sửa tần số (Sau FFT)



Sửa trễ (Sau FFT)



Hình 3- Các bớc đồng bộ trong OFDM

Trớc hết, cần đồng bộ khung (hoặc gói) để cung cấp

thông tin điều chỉnh về OFDM symbol. Tiếp đó, cần hiệu

chỉnh tần số trớc khi thực hiện biến đổi FFT để giảm ảnh

hởng của nhiễu ICI (inter-channel interference). Sau đó thêm

một giai đoạn điều chỉnh mịn và bù tần số đợc thực hiện.

Nói chung điều chỉnh khung và sửa tần số là công việc rất

phức tạp, đòi hỏi cấu hình phần cứng cũng nh phần mềm

cao. Kỹ thuật điều chỉnh và sửa tần số trong OFDM có thể

chia thành hai loại: phơng tiện dữ liệu (data aided) và kỹ

thuật phi tuyến (non-linear techniques). Kỹ thuật phơng tiện

dữ liệu sử dụng một mẫu bit đã biết hoặc tín hiệu pilot để

đánh giá trễ và dịch tần số. Kỹ tht phi tun sư dơng tÝnh

chu kú cđa tÝn hiƯu để rút ra thành phần hài mong muốn

bằng cách sử dụng toán tử phi tuyến. Kỹ thuật phơng tiện dữ

liệu data aided đợc áp dụng trong nhiều hệ thống thông tin

số OFDM nh HDTV, Wireless LAN.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



3.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung

Trớc hết cần có một mạch đồng bộ khung để phát hiện

điểm bắt đầu của khung. Điều này đợc thực hiện bằng cách

tạo ra sự tơng quan giữa tín hiệu đến với thành phần mào

đầu (preamble) biết trớc. Mạch này đôi khi cũng đợc dùng ®Ĩ

®iỊu chØnh cho bé ®iỊu khiĨn hƯ sè khuch ®¹i. Do đó

ngỡng của mạch phải đợc điều chỉnh cho phù hợp. Bởi vì

dịch thời gian không ảnh hởng đến tính trực giao của các

symbol do đó có thể bù thời gian sau biến đổi FFT. Sau đây

là sơ đồ khối tổng quát.

Ước lợng RSSI



Bộ đệm đầu vào



Bộ phát hiện tơng quan



Bộ so sánh ngỡng



Phần mào đầu (lu sẵn)



Hình 3-2 Đồng bộ khung

Nh đã xét, ảnh hởng của dịch thời gian là quay pha và

tăng một cách tuyến tính theo thứ tự các sóng mang. Để

đánh giá dịch thời gian, ta phải giải bài toán hồi quy với một

biến thích hợp đặc trng cho ảnh hởng của pha đinh trong

kênh.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Nhiễu



Kênh truyền



C



Lọc



Đánh giá

và lọc



FFT



C



Ước lợng

kênh



Hình 3-3 Ước lợng dịch thời gian



3.1.4 Ước lợng dịch tần số

Dịch tần phải đợc sửa tríc khi biÕn ®ỉi FFT ë phÝa thu.

Bé biÕn ®ỉi FFT có thể sử dụng nh bộ phát hiện dịch tần.

Giả sử đã biết mẫu dữ liệu sử dụng trong ®ång bé. Sau khi

biÕn ®æi FFT ë phÝa thu ta ®ỵc:

N −1 N −1



Dm = ∑∑ Dn e



j 2π



k

( n − m + ∆f

N



k =0 n =0



)



+ Nm



NÕu còng khèi đó lặp lại, kết quả sẽ là:



Dn e j 2f + N n

Do đó, chúng ta có thể đánh giá đợc f bằng cách lấy

trung bình của các giá trị của một symbol và giá trị trung

bình cộng tơng ứng cđa symbol tríc ®ã nh sau:



1

N



 1 l −1



y

y

'





∑ mi m( i+1)

m =0 l i =0

N 1



Quá trình này đợc thực hiện nh sau:



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

Nhiễu



Kênh truyền



Lọc



FFT



C



Đánh giá

và lọc



Trễ



FFT



C



Hình 3-4 Ước lợng dịch tần số

Số lần lặp lại phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N

(signal to noise ratio) và yêu cầu về độ chính xác của việc ớc

lợng tần số. Sơ đồ này hoạt động khá tốt trong môi trờng có

tỷ số S/N nhỏ. Tuy nhiên, kỹ thuật này có hạn chế khi độ dịch

tần số f < 1/2T. Độ dịch tần ban đầu phải lớn hơn giới hạn

1/2T đó.



3.2 Cân bằng

Nh đã nói, một trong những u điểm của kỹ thuật điều

chế đa sóng mang là chống lại đợc giao thoa giữa các

symbol ISI (inter-symbol interference). Khoảng thời gian tồn

tại dài của OFDM symbol cho phép chống lại trễ do phản xạ

nhiều đờng (multipath) và ISI, miễn là độ trễ của kênh

không vợt quá kho¶ng b¶o vƯ GI (guard interval) cđa symbol.

Nh vËy hƯ thống OFDM không bị ảnh hởng của nhiễu ISI, do

đó việc cân bằng ở miền thời gian không phải lúc nào cũng

cần đến. Tuy nhiên trong trờng hợp cần truyền dữ liệu với tốc

độ cao trong kênh truyền có sự phân tán thời gian lớn thì

phải dùng đến bộ cân bằng là điều không thể tránh khỏi.

Cấu trúc của bộ cân bằng trong OFDM khác với trong hệ



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

thống đơn sóng mang thông thờng. Mục đích của bộ cân

bằng không phải là loại trừ hoàn toàn mà là hạn chế ISI.

Cân bằng trong miền tần số, khi không có giao thoa

giữa các sóng mang ICI (inter-channel interference) đợc dùng

để bù cho hệ số khuyếch đại của kênh tại các tần số sóng

mang khác nhau.



3.2.1 Cân bằng trong miền thời gian

Hệ thống đa sóng mang chống lại đợc nhiễu ISI nếu nh

tính trực giao giữa các symbol kề nhau đợc bảo đảm trong

miền tần số. Nói cách khác, thời gian tồn tại của tín hiệu

OFDM đợc mở rộng vợt quá chu kỳ T. Tuy nhiên, nếu đáp ứng

xung của kênh bị trải ra lớn hơn khoảng bảo vệ của symbol,

khi đó nhiễu ISI sẽ xuất hiện làm giảm hiệu năng của hệ

thống.

Có một vài khác biệt cơ bản của bộ cân bằng trong miền

thời gian cho hệ thống OFDM là:

- Bộ cân bằng trong hệ thống OFDM không cần khử hết

nhiễu ISI, nhng cần giới hạn độ dài của nó. Không

giống nh trong hệ thống đơn sóng mang, bộ cân

bằng cần giảm thiểu ISI, ở đây ta chỉ cần giảm tới

độ nhỏ hơn khoảng bảo vệ.

- Bộ cân bằng không hoạt động theo kiểu DFE

(Decision Feedback Equalizers) khi truyền dữ liệu trừ

khi đặc tuyến truyền đạt của kênh thay đổi nhanh.

Bộ cân bằng đợc điều chỉnh trong khi truyền chuỗi

huấn luyện (gọi là training mode) và giữ nguyên các

tham số trong khi truyền dữ liệu (gọi là data mode).



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

- Bộ cân bằng trong OFDM là bộ cân bằng có nhớ lỗi.

Trong bộ cân bằng DFE, lỗi nhận đợc từ tích vô hớng

của đầu vào và đầu ra của mạch cắt (slicer). Còn

trong OFDM lỗi nhận đợc từ đầu ra của bộ lọc xung và

bộ lọc chuẩn.

- Vị trí của cửa sổ đáp ứng xung có ảnh hởng lớn đến

hiệu quả của bộ cân bằng.

Cấu trúc chung của bộ cân bằng trong training mode nh

sau:

Signal y



k



C



F



e



k



Bộ đánh giá



Training Seq x



k



C



B



Hình 3-5 Cấu trúc bộ cân bằng trong Training mode

Nh vậy lỗi đợc tính nh sau:



ek = cF Yk cB X k

Trong đó Xk là chuỗi huấn luyện và Yk là các mẫu tín

hiệu ở phía thu. Nãi chung, ta cã thĨ dïng kü tht thÝch

nghi ®Ĩ tìm ra các hệ số tối u nhất cho bộ cân bằng. Một

số lợng lớn các thông số không cho phép sử dụng thuật toán

RLS. Mặt khác, sự trải rộng của các giá trị riêng của ma trận

phơng sai tính hiƯu cã thĨ héi tơ víi kü tht c©n b»ng dựa

trên lý thuyết dự đoán tuyến tính đề cập dới đây.

Trong quá trình cân bằng, khung đợc lặp lại và có thể

sử dụng nh chuỗi huấn luyện. Để đạt đợc điều này, ta sử

dụng kênh thống kê khác để tạo ra các hệ số ớc lợng ngắn cho



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

bộ cân bằng. Để sử dụng dạng dự đoán của kỹ thuật hồi quy

tuyến tính ta đặt:



y ( n n 1) = ϕ T ( n ) C

Trong ®ã



ϕ ( n ) = [ − y( n − 1) ,− y( n − 2) ,  ,− y( n − N ) ,− x( n − 1) ,− x( n − 2) , ,− x( n − M ) ]



T







C = [ CF CB ]



T



Nghiệm bình phơng nhỏ nhất của hồi quy tun tÝnh lµ:



Cˆ = Γ −1θ

víi



A

Γ =  N × N

 BM × N



B N ×M 



I M ×M 



Trong ®ã



1

Aij = R yy ( i − j )

N

1

Bij = Rxy ( i − j )

N



N



∑ y( n − i ) y( n − j )

n =1

N



∑ x( n − i ) y ( n − j )

n=1







θ = [ DN E M ]



T



Trong ®ã



Di = R yy ( i )

Ei = R yx ( i )

Víi Ryy vµ Rxy là hàm tự tơng quan và hàm tơng quan

chéo. Ta có thể sử dụng đáp ứng xung của kênh để tính

toán trực tiếp các hệ số:



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Aij = ∑ hn hn*−( i − j )

Bij = h−*( i j )

Ước lợng đáp ứng xung của kênh giúp ta chọn đợc vị trí

cửa sổ tối u.



3.2.2 Cân bằng trong miền tần số

Khi tính trực giao của các sóng mang đợc đảm bảo thông

qua khoảng bảo vệ dùng CP (cyclic prefix) và cân bằng trong

miền tần số nh đã giới thiệu ở phần trớc, thì việc cân bằng

trong miền tần số cho tín hiệu OFDM trở nên rất đơn giản.

Đây là một u điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM.

Sau khi giải điều chế các sóng mang sẽ bị các tổn hao

khác và dịch pha, nhng không có sự tơng tác giữa chúng. Do

đó, bộ cân bằng trong miền tần số chỉ gồm các bộ điều

chỉnh riêng biệt cho hệ số khuyếch đại cho và pha của các

sóng mang hay nói cách khác là điều chỉnh các vùng quyết

định riêng lẻ. Ví dụ với điều chế PSK thì chỉ cần sửa pha

cho các sóng mang bởi vì biên độ không ảnh hởng đến ngỡng quyết định.

Dới đây là một bộ cân bằng trong miền tần số đơn

giản bao gồm các bộ nhân số phức cho mỗi sóng mang.



D



k



d

IFFT



k



H(f)



yk



Y

FFT



k



A



k



Ngỡng quyết

định



D



k



Hình 3-6 HƯ thèng OFDM víi bé c©n b»ng trong miỊn tÇn sè



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 3 Đồng bộ và Cân bằng

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×