Các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống ofdm

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1. Giới thiệu chương. Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ thống OFDM, đã tìm hiểu về các đặc tính của kênh vô tuyến và nhận thấy rằng các hệ thống OFDM có thể đáp ứng được với ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, fading phẳng, fading lựa chọn tần số bằng cách chèn thêm vào khoảng thời bảo vệ và truyền dẫn song song các sóng mang con tốc độ symbol thấp. Bên cạnh những thuận lợi trên, các hệ thống OFDM cũng có các bất lợi. Ba trở ngại chính của hệ thống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối cùng là vấn đề tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn. Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điều chế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu. Ở phía thu, thông thường thì bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã đã biết thời khoảng ký tự. Bởi vì quá trình điều chế và xuyên nhiểu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác. Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng. Như vậy, ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu(ở bên ngoài) còn phải giải quyết sự đồng bộ hoá(ở bên trong). Như đã trình bày trong chương 1, đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM. Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu các sóng mang nhánh phải có tính trực giao. Khi mà đồng bộ tần số lấy mẩu biến đổi dưới 50 xung/phút(ppm) sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Các khoảng dịch tần số và thời gian ký tự có thể gây ra nhiễu ICI, ISI và phải tìm cách giảm các nhiễu này. Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM đó là: Các lỗi gây nên sự mất đồng bộ; vấn đề nhận biết khung; ước lượng và sửa chửa khoảng dịch tần số; điều chỉnh sai số lấy mẫu. Chúng ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: Đồng bộ ký tự, đồng bộ khối, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang. Cuối cùng, chúng ta xét các kĩ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR. 3.2. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM. Như đã trình bày ở trên, khi giả sử rằng các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu là chính xác thì hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ khoảng dịch tần số sóng mang và thời khoảng ký tự. Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời ký tự gây ra nhiễu ISI. Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ mạnh hơn nhiễu ISI nên độ chính xác tần số sóng mang yêu cầu nghiêm ngặt hơn thời khoảng ký tự. Trong hệ thống OFDM, quá trình đồng bộ gồm có ba bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng tần(pha), bám đuổi pha. Như mô ta ở hình 3.1 Nhận biết khung Ước lượng khoảng dịch tần số FFT Bám đuổi mã Ước lượng kênh Giải mã Hình 3.1: Các quá trình đồng bộ trong OFDM Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền thời gian. Để ước lượng khoảng dịch tần số, sử dụng mối tương quan trong miền thời gian của các ký tự pilot kề nhau ước lượng phần thực của khoảng dịch tần số, còn phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền tần số. Sự dịch pha do lỗi ước lượng khoảng dịch tần số cũng như pha được tối ưu bằng cách dùng vòng khoá pha số(DPLL). 3.2.1 Nhận biết khung. Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các ký tự OFDM. Đa số các sơ đồ định thời hiện có sử dụng sự tương quan giữa phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự định thời ổn định. Những sơ đồ như vậy không thể cho vị trí định thời chính xác, đặc biệt là khi SNR thấp. Để nhận biết khung chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hoá vi phân . Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần đầu gói OFDM. Tại phía thu, các mẫu tính hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết. Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các ký tự OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan. Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN được quan sát phụ thuộc vào trễ đa đường(được đo trong chu kỳ lấy mẫu tín hiệu). Đỉnh tương quan lớn nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đa đường. Vị trí của đỉnh tương quan lớn nhất này dùng để định vị ranh giới ký hiệu OFDM. Một điểm mấu chốt là do nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số nên sai lệch pha không được bù giữa các mẫu tín hiệu do khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ tính tương quan của chuỗi PN. Điều này dẫn đến sự phân phối đỉnh tương quan giống dạng sin. Khi không có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa là chuỗi PN có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận. Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết. Metric định thời kết quả được biểu diễn như sau: (3.1) Ở đây y(i) là tín hiệu thu, d(i) là chuỗi PN, Nc là độ dài chuỗi PN; g có thể được xem như một khoảng dịch cửa sổ trượt, M(g) là Metric định thời phức. Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả tính toán tạm thời là các giá trị |M(g)|. Sự nhận biết khung thành công khi: 1- phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất và 2- tỷ lệ của các giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. 3.2.2. Ước lượng khoảng dịch tần số. Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số giữa phía phát và phía thu. Khoảng dịch tần số là vấn đề đặc biệt trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sống mang. Để BER tăng không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang, điều này sẽ không khả thi khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động thạch anh chất lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng dịch tần số nào. Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai ký tự OFDM dẫn đường trong đó ký tự thứ hai bằng với ký tự thứ nhất dịch sang trái Tk(với Tk là độ dài tiền tố lặp CP). Các mẫu tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T(đó là độ dài ký tự FFT) là giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha e-j2π(ΔfcT) do khoảng dịch tần số. Khoảng dịch tần số được phân thành phần nguyên và phần thập phân: (3.2) Ở đây A phần nguyên và . phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tính hiệu cách nhau một khoảng thời gian T. Phần nguyên được tìm thông qua chuỗi PN được mã hoá vi phân thông qua các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự dẫn đường. 3.2.2.1. Ước lượng phần thập phân. Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được biểu diễn như sau: (3.3) Ở đây l là chỉ số mẫu( miền thời gian); y(l) là mẫu tín hiệu thu; N là tổng số sóng mang nhánh; z(l) là mẫu nhiễu. Và thời gian mẫu tín hiệu s(l) được biểu diễn như sau (3.4) Trong đó k là chỉ số sóng mang nhánh, u(k) là dữ liệu được điều chế trên sóng mang nhánh, c(k) là đáp ứng tần số sóng mang nhánh. Tính tương quan giữa các mẫu cách nhau một khoảng T(nghĩa là xét N mẫu) ta có: (3.5) Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau: (3.6) Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu ở trong (3.5), J có thể được khai triển và sắp xếp thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian. Biểu thức định nghĩa phần thập phân: (3.7) Khi đó độ lệch chuẩn của lỗi được tính như sau: (3.8) Từ (3.7) có thể tính xấp xỉ để giảm SNR do khoảng dịch tần số trong hệ thống OFDM kết hợp kết quả đó với (3.8) và giả thiết ước lượng phần nguyên luôn đúng, sự giảm SNR sau ước lượng và bù khoảng dịch tần số được biểu diễn như sau: (3.9) Điều này không đáng kể trong hệ thống có giá trị N lớn 3.2.2.2. Ước lượng phần nguyên. Đối với ước lượng phần nguyên: 2N mẫu tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài là phần thập phân đầu tiên được bù: Giả sử sự ước lượng phần thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT: Trong trường hợp này vector ρ có các thành phần : .Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu , một số ký hiệu FFT mới có thể được tạo ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, nghĩa là: Để thuận tiện, trong phần sau chúng ta dùng y/2 và nhiễu cũng tỉ lệ theo đó. Khi đó FFT cho y/2 được biểu diễn: (3.10) Một chuỗi PN được mã hoá vi phân qua các sóng mang nhánh lân cận để ước lượng xoay vòng phần nguyên A. Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa kết quả với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất xác định A. 3.3. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống 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 OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),đồng bộ tần số sóng mang(carrier frequency synchronization),và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). 3.3.1. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM. Trong kỹ thuật đồng bộ tần số chúng ta quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số.Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số gây ra bởi sai khác giữ hai bộ tạo 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 Sin) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM gồm có đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang[1]. 3.3.1.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu. Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu 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 được 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. 3.3.1.2. Đồng bộ tần số sóng mang. Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số[1]. Lỗi tần số  Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tạo 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 lỗi 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 xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). Ước lượng tần số 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 lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng , người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang . Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang , tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 3.3.2. Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM. 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 lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise). Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian 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. Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. 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  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. 3.3.2.1. Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot. Phương pháp này được giới thiệu lần đầu vào năm 1993 cho các hệ thống thông tin OFDM/FM, tức các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần. Theo đó, máy phát sẽ sử dụng mã hoá một số kênh nhánh 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 gồm ba bước: Nhận biết công suất(Power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization), đồng bộ tinh (fine synchronization).Nhiệm vụ của nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách dò công suất thu và so sánh với mức ngưỡng. Bước đồng bộ thô, tín hiệu sẽ được đồng bộ ban đầu với độ chính xác khá thấp là một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này là không cao, song nó sẽ làm đơn giãn thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện đồng bộ thô, người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu và bản sao của tín hiệu phát(được xác định trước) rồi tìm đỉnh tương quan. Tần suất ước lượng các điểm phải gấp bốn lần tốc độ tính hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan. Ở bước đồng bộ tinh, do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn 0,5 mẫu tín hiệu nên kể cả ảnh hưởng của lỗi đồng bộ, đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong thời khoảng của CP (vì thời khoảng của CP phải lớn hơn thời khoảng đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy lỗi pha sóng mang ở các kênh nhánh chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Sau đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng. Các ký tự pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý. Thông thường ký tự pilot được chèn vào phần đầu tiên của gói OFDM như hình 3.2 : PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 ... OFDM_N Trailer Ký tự pilot khối OFDM a- Kênh fading phẳng tần số PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 ......... OFDM_N Trailer khối OFDM Ký tự pilot Chèn dải bảo vệ/tiền tố lặp b_ Kênh fading chọn lọc tần số Hình 3.2: Pilot trong gói OFDM 3.3.2.2. Đồng bộ ký tự dựa vào CP. Phương pháp này chủ yếu dựa trên ý tưởng cơ bản là xét hiệu hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N bước: d(m) = r(m) – r(m+N) 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 cả 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) thấp. Nếu r(m) và r(m+N) không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trong thời khoảng của cùng một ký tự OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. 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 thời khoảng của CP ( tức là điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì 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 sẽ được thực hiện. 3.3.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC : Frame synchronization Code). Đồng bộ khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu của khung ký tự để tìm thấy vị trí chính xác của cửa sổ FFT.Những thuật toán đồng bộ khung ký tự truyền thống (dùng ký tự pilot, dùng CP, ...) thì dựa vào sự quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của ký tự. Nhưng các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của ký tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường. Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung ký tự và vùng dữ liệu cho truyền dẫn ký hiệu OFDM như hình 3.3 FSC GI S0 GI S1 Sm GI 127 96 512 96 512 Đồng bộ khung Dữ liệu phát Hìmh 3.3: Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau: (3.11) Trong đó: TFSC là thời khoảng tín hiệu FSC Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi CA(n) của FSC và các mẫu không có GI đã qua FFT, biểu diễn như sau: (3.12) Ở đây, CL là độ dài bít của FSC, và các mẫu CA(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là vị trí bắt đầu khung, sm(n) là chuỗi các mẫu của ký hiệu OFDM thứ m trong miền tần số và N là số sóng mang nhánh. Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu, s(n)=CA(n) với n=1,2,...,CL, được tạo thành từ vector FSC C(n)={C(1),C(2),...,C(CL)} gồm có CL giá trị nhị phân. Đối với mã C(n) mà có giá trị ‘1’, chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để tạo ra tín hiệu ba mức CA(n). Cho ví dụ: C(n)={1,0,0,1,1,1,0,1} thì CA(n)={1,0,0,1,-1,1,-1,0,1}. Bằng thủ tục này, có thể duy trì số giá trị ‘1’ và ‘-1’ bằng nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động. Hình 3.4 trình bày cấu trúc đồng bộ khung ký tự OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ nhận biết bit ‘0/1’, CL thanh ghi dịch, bộ cộng Module-2 được giảm bớt, bộ tổng và bộ nhận biết đỉnh. I2+Q2 Th1 1 1 2 3 .... CL 0 1 2 3 .... CL Tổng Nhận biết đỉnh Th2 Đầu vào mẫu Nhận biết bắt đầu khung 0 1 0 1 -1 1 -1 1 Hình 3.4. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC Thuật toán đồng bộ khung ký tự nhờ FSC gồm có các bước: Nhận biết FSC, xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung ký tự. 3.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM. Người ta thường đánh giá ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR. Ta có thể đưa ra một số nhận xét sau[1]: -Đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (kể cả kênh fading lẫn kênh AWGN). Suy hao SNR [dB] tỷ lệ thuận với bình phương độ sai lệch tần số sóng mang. - Độ lệch của nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang. Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóng mang. - Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương của chỉ số sóng mang và bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối. - Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho nó không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng của CP. 3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR). Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM. PAPR của một ký tự OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương của mẫu này[1]: PAPR= (3.33) PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu Ví dụ: Hệ thống nhị phân {0,1}: PAPR= Hệ thống điều chế pha M mức(M-PSK) : do các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1.PAPR quá lớn sẽ tạo ra nhiều bất lợi như làm tăng độ phức tạp của bộ biến đổi D/A, A/D và làm giảm hiệu quả của bộ công suất cao tần. Một vài kĩ thuật đã được đưa ra nhằm giảm PAPR.Ta có thể chia chúng ra làm 3 loại như sau : Thứ nhất là kĩ thuật làm méo tín hiệu.Các kĩ thuật này giảm biên độ đỉnh chỉ đơn giãn bằng cách làm méo tín hiệu OFDM tại xung quanh đỉnh của tín hiệu.Các kĩ thuật này gồm có clipping, peak windowing và peak cancellation. Thứ hai là các kĩ thuật mã hoá (coding technique) sử dụng bộ mã hoá sửa sai đặc biệt nhằm loại ra những symbol OFDM có PAPR cao. Thứ ba là những kĩ thuật dựa trên việc ngẫu nhiên hoá mỗi symbol OFDM với các chuỗi giả ngẫu nhiên khác nhau và lựa chọn các chuỗi có tỉ lệ PAPR nhỏ nhất. 3.5. Kết luận. Trong chương này chúng ta đã trình bày các phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM. Đồng bộ ký tự ký tự củng đồng nghĩa với đồng bộ thời gian vì nó khắc phục lỗi thời gian, đây là vấn đề có nhiều phương pháp được nghiên cứu và áp dụng. Vấn đề khó khăn nhất trong đồng bộ tần số cũng như đồng bộ nói chung là đồng bộ tần số sóng mang. Có nhiều phương pháp ước lượng tần số sóng mang, nhưng ở đây chúng ta chỉ trình bày một số phương pháp tiêu biêu. Việc xét đến các ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM sẽ giúp chúng ta nhận biết vai trò của các loại đồng bộ và thực hiện đồng bộ có hiệu quả nhất.Tỷ số PAPR của một tín hiệu OFDM lớn sẽ gây nên các thành phần tần số bậc cao sau khi khuếch đại do các bộ khuếch đại hoạt động ở vùng phi tuyến. Việc sản sinh ra thành phần tần số bậc cao sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế, là một điều không mong muốn. Tỷ số PAPR cao là một bất lợi lớn của hệ thống OFDM. Việc giảm được tỷ số PAPR trong hệ thống OFDM là một điều rất đáng quan tâm. Nhưng cho đến nay, việc tìm ra một phương thức giảm PAPR thật sự phù hợp vẫn còn bỏ ngỏ và là đề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Chúng ta đã tìm hiểu các kĩ thuật như đồng bộ,tỷ số PAPR cũng như các ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM,trong chương tiếp theo chúng ta áp dụng các kĩ thuật đó vào trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T.