Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM

4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM

Tải bản đầy đủ - 0trang

Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

ngột trong miền thời gian là sự phân tán năng lợng giữa các

symbol trong miền tần số.



Hình 2-9 Dạng sóng trong miền thời gian của sóng mang con

Hình trên là phổ của tín hiệu OFDM cha qua lọc. Ta thÊy

víi trêng hỵp tÝn hiƯu gåm 1536 sãng mang con có sự suy

giảm của các búp sóng phụ nhanh hơn trờng hợp 52 sóng

mang con. Tuy nhiên năng lợng của các búp sóng phụ trong trờng hợp này vẫn rất còn đáng kể ở khá xa khối phổ của các

búp sóng chính. Các búp sóng phụ này làm tăng dải thông

của tín hiệu, giảm hiệu quả sử dụng phổ tần số. Có 2 kỹ

thuật phổ biến dùng để lọc bá c¸c bóp sãng phơ tíi møc cã

thĨ chÊp nhËn đợc là : Lọc thông dải, và chèn dải bảo vệ dạng

cos nâng (raised cosin).



Hình 2-10 Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Hình 2-11 Phổ cđa tÝn hiƯu OFDM víi 1536 sãng mang con



2.4.1 Läc thông dải

Khi tín hiệu số đợc chuyển sang dạng tơng tự để truyền

dẫn thì bộ lọc đợc dùng để tránh tạp (aliasing). Tạp là hiện

tợng tín hiệu sai xuất hiện khi tín hiệu tơng tự đợc số hoá.

Sử dụng bộ lọc thông dải sẽ loại bỏ đợc các búp sóng phụ của

tín hiệu OFDM. Lợng búp sóng phụ đợc lọc bỏ phụ thuộc vào

độ nhọn của bộ lọc đợc sử dụng. Nhìn chung các bộ lọc số

cho độ chính xác, ®é dèc ®Ỉc tun läc còng nh tÝnh

thÝch nghi cao hơn các bộ lọc tơng tự. Do đó trong hệ thèng

OFDM sư dơng c¸c bé läc sè sÏ rÊt hiƯu quả trong việc hạn dải

tín hiệu. Về định nghĩa một hệ thống số dùng để làm biến

dạng sự phân bố phổ tần số của các thành phần của một tín

hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợc gọi là bộ lọc số. Hình 2-12

là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua bộ lọc.

Hình 2-13 là đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đã qua lọc

thông dải. ở đây sử dụng bộ lọc FIR, và dùng phơng pháp cửa

sổ để tổng hợp. Thực tế là bộ lọc có thể lọc bỏ hoàn toàn

các búp sóng phụ, nhng đồng nghĩa với nó là chi phí tính

toán tăng lên, và làm giảm SNR hiệu dụng của hệ thống. Hơn

nữa, việc lọc tín hiệu cũng cắt bỏ một phần đáng kể năng



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

lợng của các sóng mang con ở phía ngoài, làm méo dạng các

sóng mang con này và gây ra ICI. Nh trên hình 2-13 ta có

thể thấy có tới 8 sóng mang con bị cắt bỏ một phần năng lợng ở búp sóng chính.



Hình 2-12 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc



Hình 2-13 Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc

FIR với chiều dài cửa sổ bằng 3

Đến nay vẫn cha có những nghiên cứu đầy đủ về những

ảnh hởng của lọc thông dải lên tín hiệu OFDM cũng nh sự



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

giảm S/N hiệu dụng gây bởi quá trình lọc. Các bộ lọc có

đặc tuyến lọc dốc cho phép các tín hiệu OFDM đợc đóng

gói gần nhau hơn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Nhng

cũng chính nó gây ra sự sụt giảm của S/N hiệu dụng, và

những ảnh hởng này cần phải đợc lu ý tới khi thiết kế hệ

thống.



2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

Một trong những phơng pháp đơn giản nhất để loại bỏ

các búp sóng phụ (các búp thứ cấp) là đặt dải bảo vệ cho

tín hiệu OFDM, giảm biên độ symbol dần về 0 trớc khi

chuyển sang symbol khác. Điều này tạo ra một sự chuyển

đổi mềm dẻo giữa các symbol, do đó giảm đợc năng lợng

của các búp sóng phụ. Hình dới đây là cấu trúc của một

OFDM symbol đợc chèn dải bảo vệ dạng cos nâng (raised

cosine).



Hình 2-14 Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos

nâng

Dải bảo vệ cos nâng của các symbol có thể chồng lên

nhau mà chỉ gây ra một lợng ISI không đáng kể, máy thu

không nhận biết đợc. Ưu điểm của việc chồng phổ này cho



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM

phép tăng gấp đôi chiều dài dải bảo vệ mà không làm tăng

thêm yêu cầu về dải thông cho symbol.



Bài tập lớn- Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM



Đồng bộ và Cân bằng



Chơng 3

3.1 Đồng bộ



Nh các bộ điều chế và giải điều chế số khác, hệ thống

đa sóng mang OFDM cũng cần một cơ chế đồng bộ tin cậy.

OFDM truyền song song trên N sóng mang con nên có độ dài

symbol lớn, do đó ít bị ảnh hởng của độ dịch về thời gian.

Nói cách khác, không giống nh hệ thống đơn sóng mang bị

nhiễu ISI bởi jitter, hiện tợng này không ảnh hởng tới tính chất

trực giao của các sóng mang trong hệ thống đa sóng mang.

Tuy nhiên độ dịch về tần số lại ảnh hởng nghiêm trọng đến

hệ thống OFDM và chiếm một vai trò quan trọng trong thiết

kế hệ thống. Nhiễu pha cũng cũng gây các ảnh hởng nghiêm

trọng khác tới hệ thống OFDM vô tuyến.



3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM

Giả sử nhiễu giữa các tín hiệu clock là không đáng kể,

một tín hiệu OFDM đợc truyền đi có thể đợc biểu diễn nh

sau:



x( t ) =



N = k2 +1 N −1



j 2π







∑ Dk e






( N = k2 )



k = − k1



nk

N



n =0





k 

w t

fs





Với



k1



fs



fs



Trong đó k1 và k2 là độ dài khoảng bảo vệ ở đầu và cuối

symbol, w(t) lµ hµm cưa sỉ ë miỊn thêi gian. TÝn hiƯu thu



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.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×